Brevet FR2532712A1 — publié le 19840309

La présente invention concerne des joints d'étanchéité pour arbres travaillant dans des condi- tions sévères et elle a trait plus particulièrement à des joints d'étanchéité qui protègent contre l'environ- nement les paliers de trépans coniques à paliers her- métiques. De tels joints sont critiques lors du forage dé puits pour la recherche et la production de pétrole. Lorsqu'un trépan à paliers hermétiques opère en dessous d'une colonne de boue liquide abrasive à effet destruc- teur, il ne peut pas durer plus longtemps que ses joints d'étanchéité. A mesure que la profondeur de forage de puits augmente, du temps et du travail improductifs progressi- vement croissants doivent être consacrés à retirer la tige de forage pour remplacer un trépan défectueux et une proportion substantielle de tels remplacements sont nécessités par un endommagement de joint. Des joints de paliers de trépans basés sur une rondelle Belleville disposée radialement, dont au moins les lèvres périphériques sont encastrées dans une matière élastomère, sont bien connus dans l'art antérieur. Le brevet U S no 3 137 508 revendique l'utilisation de ce type de joint Une rondelle Belleville se comporte comme un ressort raide à petite flexion dans la direction axiale. A mesure que des puits ont été forés plus pro- fondément et avec des diamètres plus petits, il est de- venu souhaitable de faire tourner le trépan plus rapi- dement Le joint à rondelle Belleville disposé radiale- ment, du fait de son diamètre extérieur relativement grand, est désavantageux aux grandes vitesses de rotation. Le brevet U S N O 3 397 928 décrit l'utilisa- tion d'une bague torique courante pour assurer l'étan- chéité du palier d'un trépan conique, en réduisant au minimum la vitesse de frottement entre le joint et les surfaces du trépan. Pour établir une pression de contact suffisante contre les surfaces du trépan, ce joint est déformé par compression dans le gland de son carter à un degré qui réduit sensiblement sa durée de service. La grande charge unitaire correspondant à cette pression de contact contribue à produire une usure par abrasion à la fois de la bague torique et du gland. Cette usure sert à réduire la pression ou l'écrasement de la bague torique ainsi conçue. La matière élastomère de la bague torique, lorsqu'elle est feuilletée dans la condition déformée prend une déformation permanente qui diminue sensible- ment la pression de contact. La bague torique déformée, ainsi installée, ne permet pas au joint Belleville de réagir à des déplace- ments relatifs du cône de coupe et du tourillon. L'invention a pour but de créer un joint d'étan- chéité pour joint radial pour arbre travaillant dans des conditions sévères, qui a une durée de service allongée et des proportions physiques semblables à celles d'une bague torique. L'invention a également pour but de créer un joint d'étanchéité s'adaptant mieux à des jeux dans les paliers et à des flexions. L'invention a en outre pour but de créer un joint d'étan- chéité pouvant opérer avec moins de pression de contact et moins de déformation en compression que ce qui est nécessaire pour une bague torique d'étanchéité. Le joint d'étanchéité conforme à l'invention est semblable à une bague torique dans ses proportions générales, mais la forme et la fonction sont mieux comparables à celles d'un joint Belleville et, en con- séquence, il est appelé un "joint Belleville radial". L'action de ressort raide d'une rondelle Belleville établit la pression de contact et la capacité d'adaptation dans un joint à rondelle Belleville clas- sique. Des fonctions analogues sont établies dans le joint d'étanchéité conforme à l'invention par un ressort d'une forme différente et le nouveau ressort agit dans une direction radiale au lieu de la direction axiale d'un ressort Belleville effectif. Le ressort de la présente invention se compose d'une bande cylindrique étroite et continue comportant des doigts élastiques s'étendant axialement à partir de deux bords. Le ressort est enrobé d'un composé plastique ou élastomère pour former une bague d'étanchéité La bague d'étanchéité a une forme élémentaire de tronc de cône o le diamètre extérieur maximal est supérieur d'une valeur prédéterminée à celui du gland d'étanchéité et o le diamètre intérieur minimal est inférieur d'une valeur prédéterminée à celui du gland d'étanchéité. Les deux bords-annulaires ainsi définis sont les bords de contact effectif d'étanchéité de la bague d'étan- chéité La pression de contact de ces bords contre les surfaces du gland d'étanchéité est engendrée par le ressort interne au lieu de l'être par une déformation en compression du corps de joint élastomère. Un avantage de l'invention consiste dans une réduction de la pression de contact d'étanchéité Cela se produit à cause de la contribution relativement moins grande de la matière élastomère du joint selon l'inven- tion pour établir une pression de contact La section relativement mince de matière élastomère est comprimée par l'action élastique du joint à l'intérieur du gland d'étanchéité en opposition à un compactage d'une garni- ture d'étanchéité à l'intérieur d'un gland comme cela est envisagé dans l'art antérieur. Un autre avantage de l'invïention consiste dans une réduction de l'usure abrasive de la bague d'étan- chéité et du gland, ce qui résulte de la réduction de la pression de contact initiale nécessitée par ce joint d'étanchéité. Un autre avantage de l'invention consiste dans l'aptitude de ce jointd'étanchéité à compenser des déplacements excentriques des surfaces du gland résultant de jeux dans les paliers et de flexions. D'autres buts et avantages de la présente in- vention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illus- tratif mais non limitatif La figure 1 est une coupe partielle d'un cône de coupe d'un trépan à paliers hermétiques montrant le tourillon, le joint d'étanchéité et une partie du corps du trépan. Lafigure 2 est une coupe à échelle agrandie faite sur la ligne 2-2 de la figure 1, montrant le joint installé dans le gland. La figure 3 est une vue en perspective en par- tie arrachée de la bague d'étanchéité. La figure 4 est une vue en coupe à échelle agrandie de la bague d'étanchéité dans une condition relâchée. La figure 5 montre le ressort interne. Sur la figure 1, une partie de l'extrémité de coupe d'un trépan, désigné dans son ensemble par 10, est composée d'une branche 11 supportant un tourillon 12 disposé en cantilever Un cône de coupe 20, représenté en coupe partielle, est maintenu sur le tourillon 12 par des billes de roulement 16 Du lubrifiant est retenu à l'intérieur du cône 20 entre une surface d'appui de cône 21 et une surface d'appui de tourillon 17 par un joint d'étanchéité, désigné dans son ensemble par 30, qui empêche également des fluides se trouvant dans le trou foré de pénétrer entre le tourillon 12 et le cône 20. Un réservoir de lubrifiant est prévu dans un canal 15 du tourillon 12. En considérant maintenant la figure 2, on voit que la gorge de gland d'étanchéité, désignée dans son ensemble par 18, est définie par deux surface d'étan- chéité s'étendant axialement: la surface d'étanchéité de tourillon 14 et la surface d'étanchéité de cône 23, et par deux surfaces s'étendant radialement: la paroi radiale de cône 22 et la paroi radiale de tourillon 13. La bague d'étanchéité 30 comprehid un ressort cylindrique annulaire 32 qui est encastré dans le corps 34 de la- bague Le ressort annulaire 32 est de préférence un cylindre, mais cependant ce ressort annulaire pourrait être un tronc de cône. La figure 3 montre la bague d'étanchéité dans un état de relaxation avant installation Les coins 36 et 37 désignent les bords d'étanchéité, agissant à l'intérieur du gland 18 (figure 2). La figure 4 est une vue à échelle agrandie de la section droite de la figure 3 Les coins 38 et 39 ne sont normalement pas en contact avec le gland d'étan- chéité 18, car ils n'ont pas pour fonction d'établir une étanchéité Le coin 39 peut cependant être profilé en creux sous la forme de la surface 40 Ce profilé préféré fait en sorte que le coin 37 ait une plus faible pression de contact que le coin 36 Le coin 36 est par conséquent préférentiellement un joint d'étanchéité dynamique. La figure 5 représente le mode préféré de réa- lisation du ressort 32 en forme de bande cylindrique d'acier comportant un ensemble de doigts flexibles 33 alignés axialement et espacés de distance égale. Comme indiqué, les doigts 33 situés sur un bord du ressort 32 sont quinconces par rapport aux doigts situés sur le bord opposé de la manière présentement adoptée Il serait évidemment possible en variante de placer des doigts directement en face de doigts opposés ou bien dans toute autre disposition prédé- terminée. Il est en outre évident qu'il est possible de fabriquer la bande cylindrique élastique par exemple en fibres de verre, en matière plastique ou en une autre matière de nature élastique. Des déformations de la bague d'étanchéité 30, désignées par A' et A" sur la figure 2 et résultant d'un maintien à l'intérieur de la gorge 18 du gland d'étanchéité, résultent principalement de flexions des doigts individuels 33 en acier du ressort cylin- drique 32 et, à un degré plus faible, de déformations en compression des parties du corps 34 du joint élas- tique qui sont écrasées entre les doigts 33 et les surfaces 14 et 23 de la gorge de gland 18 Ces pres- sions exercées contre le gland 18 peuvent par exemple être comprises entre 10,5 et 17,5 x 105 Pa Une gamme préférée de pressions est comprise entre 7 et 14 x 105 Pa. Ce joint d'étanchéité est utilisable dans n'importe quelle machine comportant un élément monté à rotation par rapport à un autre, avec une gorge des gland d'étanchéité de section droite sensiblement rec- tangulaire devant recevoir une garniture d'étanchéité dynamique élastique et de grande capacité. Dans la condition de relaxation, cette garni- ture d'étanchéité a en section droite une forme de parallélogramme décalé radialement de telle sorte que la dimension radiale de la section droite soit supé- rieure à celle du gland Les deux coins extrêmes d'étanchéité diagonalement opposés 36 et 37 du paral- lélogramme sont déformés élastiquement par compression vers une forme de section droite sensiblement rectangu- laire en vue d'une installation dans la gorge de gland 18 o les coins 36 et 37 forment un couple qui est poussé contre les surfaces concentriques, s'étendant axialement, des gorges 14 et 23 du gland d'étanchéité. Un trépan à palier hermétique comportant au moins un cône de coupe qui est monté à rotation par rapport à un tourillon faisant saillie du corps de trépan constitue un exemple spécifique d'une telle machine. Un élément formant âme, constitué par une bande cylindrique élastique relativement raide 32, et noyée sensiblement au centre et à l'intérieur de la partie élastique ayant en section droite une forme de parallélogramme, cette bande s'étendant axialement sensiblement au travers de ladite section droite. La bande élastique en acier 32 est continue dans la partie axialement centrale et elle comporte des doigts flexibles 33 espacés de distance égale et s'étendant dans les deux directions axiales sur moins de la moitié de la largeur de la bande, les deux bords annulaires de la bande 32 formant des motifs essentiellement semblables de doigts 33. Dans la section en parallélogramme, les deux coins extrêmes et diagonalement opposés 36 et 37 sont les surfaces d'étanchéité Les deux coins intermédiai- res et diagonalement opposés 38 et 39 n'agissent es- sentiellement pas comme des surfaces d'étanchéité. Le coin intermédiaire radialement extérieur 39 est, par exemple, profilé en creux en 40 dans le mode préféré de réalisation Ce coin en creux 39 sert à réduire la pression de contact exercée contre le fût du gland à-un faible degré A tout moment en cours de rotation, un coin d'étanchéité est statique et l'autre est dynamique La partie en creux 40 est utilisée pour faire en sorte que le bord d'étanchéité de petit diamètre soit préférentiellement le joint dynamique afin de contrôler la fonction d'étanchéité et de réduire au minimum l'usure entre joint et gland. Dans le mode de réalisation présentement pré- -féré, la bande d'acier élastique 32, comprenant l'élé- ment formant âme, est enrobée d'un corps 34 en matière élastomère, en formant une bague annulaire d'étanchéité qui est continue La matière élastomère préférée est du nitrile d'une dureté shore A comprise entre 70 et unités Il est évident qu'on pourrait utiliser une autre matière élastique du genre caoutchouc, telle qu'une matière plastique, sans sortir du cadre de l'invention. Bien entendu, la présente invention n'est nul- lement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 Joint d'étanchéité entre deux éléments relativement tournants dans une machine comportant un premier élément ( 12) monté à rotation par rapport à un second élément ( 20) définissant entre eux une gorge annulaire de gland d'étanchéité ( 18) comportant une première surface ( 14) s'étendant axialement et formée par le premier élément ( 12) et une seconde surface ( 23) s'étendant axialement et formée par le second élément ( 20), joint caractérisé en ce qu'il comprend une bague annulaire élastique ( 30) formant garniture d'étanchéité et pouvant tourner dans ladite gorge de gland d'étan- chéité ( 18), ladite bague annulaire comportant un corps ( 34) en matière élastomère ayant dans une condition de relaxation une section droite pen forme de parallélo- gramme décalé radialement avec une dimension radiale totale de section droite supérieure à une dimension radiale de section droite de ladite gorge de gland ( 18), ladite bague annulaire comportant en section droite un premier et un second coins extrêmes diagonalement opposés ( 36, 37) qui sont poussés contre lesdites surfaces annulaires-( 14,23), s'étendant axialement et formées entre lesdits premier et second éléments ( 12, 20), ladite bague d'étanchéité comportant un élément élastique formant âme ( 32) qui est noyé dans ladite bague, ladite bague d'étanchéité étant élastiquement-déformable en section droite lors- qu'elle est maintenue à l'intérieur de ladite gorge de gland ( 18) depuis ladite forme de parallélogramme jus- qu'à une forme essentiellement rectangulaire de dimension radiale de section droite réduite. 2 o Joint d'étanchéité selon la revendication 1,l caractérisé en ce que ladite âme de la bague d'étanchàitâ est une bande annulaire élastique ( 32) formée d'une ma- tière ayant une raideur supérieure à celle du corps en matière élastomère ( 34),noyée dans la section en forme de parallélogramme dudit joint, ladite bande annulaire ayant un diamètre compris entre les diamètres desdites surfaces, s'étendant axialement, ( 14, 23) de ladite gorge de gland, ladite bande comprenant en outre un premier et un second bords annulaires pourvus d'une multiplicité de doigts ( 33) dirigés en sens opposés, orientés axialement, espacés de distance égale et formés dans ladite bande, lesdits doigts ( 33) s'éten- dant axialement sur moins de la moitié de la largeur de ladite bande ( 32). 3 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, carac- térisée en ce que ladite âme ( 32) de la bague d'étan- chéité est une bande annulaire élastique s'étendant axialement et noyée dans la section en forme de pa- rallélogramme dudit joint, chaque bord, s'étendant axialement, de la bande ayant une élasticité plus grande que l'élasticité du centre de la bande. 4 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite âme ( 32) de la bague d'étanchéité est une bande annulaire élastique ( 32) s'étendant axialement et noyée dans la section droite en forme de parallélogramme dudit joint, chaque bord, s'étendant axialement, de la bande comportant une plu- ralité de doigts ( 33) s'étendant axialement et espacés l'un de l'autre. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite bande annulaire élastique ( 32) est essentiellement un cylindre. 6 Joint d'étanchéité selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite bande cylindrique élastique ( 32) est formée d'un métal. 7 Joint d'étanchéité selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que lesdits doigts ( 33) de ladite bande cylindrique exercent une poussée interne suffisante des deux coins extrêmes et diagonalement opposés ( 36, 37) de ladite bague d'étanchéité ( 30) en les appliquant contre ladite surface s'étendant axia- lement de ladite gorge de gland ( 18) pour produire une pression de contact d'étanchéité desdits coins contre lesdites surfaces dudit gland ( 18). 8 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite pression de contact desdits coins ( 36, 37) de ladite bague d'étan- chéité ( 30) contre lesdites surfaces dudit gland est' comprise entre environ 7 x 105 Pa et 17,5 x 105 Pa. 9 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite pression de contact est comprise entre environ 10,5 x 105 Pa et 14 x 105 Pa. 10 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite matière -élasto- mère est du nitrileo 11 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite matière élas- tomère a une dureté Shore A comprise entre environ 70 et 95 unités. 12 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que le premier ( 37) des deux coins extrêmes et diagonalement opposés ( 36, 37) est situé radialement à l'intérieur, en ce que le second coin ( 36) est situé radialement à l'extérieur et en ce qu'il est en outre prévu un troisième coin ( 39) radialement adjacent au premier coin ( 37) et un quatrième coin ( 38) diagonalement opposé au troisième coin ( 39) et radialement adjacent au second coin ( 36), lesdits premier et second coins ( 37, 36) formant des surfaces principales d'étanchéité. 13 Joint d'étanchéité selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit troisième coin ( 39) est profilé en creux ( 40) pour exercer ainsi moins de poussée radiale sur le premier coin que celle appliquée au second coin de manière que ledit premier coin ( 37) fonctionne préférentiellement comme un joint d'étanchéité dynamique-et que ledit second coin ( 36) fonctionne es- sentiellement comme un joint d'étanchéité statique. 14 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que le premier élément ( 12) comprend un tourillon d'un trépan à paliers hermétiques et en ce que le second élément ( 20) comprend un cône du trépan.