Brevet FR2544032A1 — publié le 19841012

Dispositif à plots de frottement pour l'appui axial élastique d'un arbre L'invention concerne un dispositif à plots de frottement pour l'appui axial élastique d'un arbre Ce dispositif comporte les éléments suivants, de même qu'un dispositif connu: un ensemble de pièces tournantes entraînées en rotation par un arbre tournant autour d'un axe par rapportà un corps-externe, cet ensemble étant propre à transmettre une poussée axiale à cet arbre, cet axe définissant une direction axiale, et un ensemble de pièces non tournantes reliées à ce corps externe de manière à empêcher leur rotation autour de cet axe et à pouvoir transmet- tre une poussée axiale à ce corps, ces deux ensembles coopérant l'un avec l'autre pour empêcher un déplacement axial dudit arbre dans ledit corps tout en permettant sa rotation, et constituant l'un un premier ensemble et l'autre un deuxième ensemble, le premier ensemble comportant au moins un disque d'appui axial muni d'une surface de frottement plane selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre, cette surface présentant la forme d'une couronne circulaire coaxiale à cet arbre et étant constituée d'un matériau dur, le deuxième ensemble comportant des plots de frottement s'étendant axialement, répartis angulairement autour de l'axe de l'arbre, présen- tant chacun un axe, et formant chacun à une extrémité avant une surface de frottement qui s'appuie sur la surface de frottement du disque d'appui et qui est également constituée d'un matériau dur, un logement pour entourer partiellement chacun de ces plots de frotte- ment et limiter ses déplacements, une armature pour maintenir ces logements, et un élément de poussée axiale élastique placé dans ce logement pour appuyer élastiquement le plot contre le disque d'appui de manière notam- ment à répartir entre les plots les efforts axiaux transmis entre l'arbre et le corps externe malgré d'éventuelles déformations de la surface de frottement de ce disque. Le dispositif selon l'invention peut notamment s'appliquer dans le cas o l'arbre est celui de la turbine d'un moteur souterrain de forage, le corps externe étant le corps tubulaire fixe de cette turbine Ledit premier ensemble comporte alors une succession axiale de disques d'appui coopérant chacun avec plusieurs plots de frottement maintenus à l'aide d'une armature présentant la forme d'une plaque annulaire Cette plaque est percée de lumières pour le passage axial d'une boue de forage qui fournit l'énergie motrice à cette turbine. Un tel moteur associé à un outil convenable est souvent appelé "turboforeuse", et on sait que les turboforeuses ainsi constituées doi- vent être équipées avec des butées transmettant des efforts longitu- dinaux considérables entre l'arbre tournant et le corps de la turbofo- reuse Les disques d'appui et les plots sont fabriqués en acier et les surfaces de frottement sont traitées de façon à présenter une dureté convenable, ainsi qu'un faible coefficient de frottement Les surfaces de frottement sont par exemple constituées de carbure de tungstène, de concrétions diamantées ou d'alliages métalliques à haute dureté. La présence des éléments de poussée axiale élastique permet de répartir les efforts non seulement entre les divers plots de frottements coopérant avec un même disque d'appui, mais aussi entre les divers dis- ques d'appui, ainsi que d'amortir les vibrations et les chocs axiaux. La division de l'effort entre plusieurs plots de frottement apporte un parcellement des surfaces d'appui qui garantit une réparti- tion de l'effort et une bonne circulation des fluides de lubrification c'est-à-dire de la boue de forage dans le cas d'application envisagé. Le dispositif connu précédemment mentionné est décrit dans le document de brevet français FR-A-2 157 206 (Alsthom) et dans le document de brevet américain correspondant US-A 3,858,668 (Jean Bell) Il s'applique dans le cas précédemment mentionné. Dans ce dispositif connu les plots coulissent axialement dans leurs logements, au fond desquels l'élément de poussée élastique est constitué par une rondelle d'un élastomère. Ce dispositif a permis d'augmenter la durée de service des turbo- foreuses, mais il est apparu que l'usure des surfaces de frottement limitait cette durée de manière génante Cette usure, essentiellement due aux mauvaises conditions d'orientation des plots face à la surface tournante est fortement accrue par le fait que le milieu ambiant est constitué par une boue de forage charriant des particules abrasives. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif à plots de frottement permettant l'appui axial élastique d'un arbre et -3- présentant une durée de service accrue, notamment en présence de boue de forage, tout en restant apte à transmettre des forces axiales impor- tantes et à garantir un appui de chaque plot sur toute sa surface, et tout en restant de fabrication simple. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé par le fait que chaque plot de frottement forme à son extrémité arrière une portée sphé- rique convexe glissant sur une portée formée sur une base disposée dans le logement, ledit élément de poussée axiale agissant entre une paroi de ce logement et cette base, de manière à permettre à la fois à cet élément de supporter une force axiale importante, et à la surface de frottement du plot de s'incliner facilement pour rester toujours en appui par toute son étendue sur la surface de frottement du disque d'appui. La portée sphérique convexe de chaque plot s'étend sur une portion d'une surface sphérique dont le centre est situé de préférence sur l'axe du plot au voisinage de sa surface de frottement, de Manière à faire passer la ligne d'action de l'effort de poussée à proximité du centre de cette surface, même en cas d'inclinaison du plot, et à assurer ainsi de manière permanente une répartition sensiblement uniforme de la pression d'appui de cette surface sur la surface de frottement du disque d'appui. L'invention confère à -l'ensemble de l'arbre et du corps de la turbine une possibilité d'oscillation angulaire par flexion élastique sans risque d'apparition d'un effort axial décalé susceptible de provo- quer des usures dissymétriques. L'effort axial est réparti sur les multiples points d'appui que représentent les plots, et les décalages angulaires oscillatoires sont absorbés par des déplacements élastiques axiaux différents d'un plot à l'autre Quant au couple de frottement il est repris au niveau de chaque plot par un guidage adéquat du plot dans son logement. A l'aide des figures -schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. _ 4 La figure 1 représente une vue d'un dispositif selon l'invention en demie coupe par un plan passant par l'axe de l'arbre et par celui d'un plot de frottement, ce plan étant représenté en I-I sur la figure 2. La figure 2 représente une demie vue en coupe transversale du même dispositif selon une ligne Il-II de la figure 1. De manière générale ledispositif décrit comporte un disque tournant 1 lié à un arbre 2 Il transmet la poussée axiale et est muni d'une surface de frottement en matériau dur sur chacune de ses faces. un nombre important ( 6 à 20) de plots de frottement 7 dont une surface de frottement coopère avec une surface de frottement du disque tournant, seuls les plots coopérant avec l'une des faces de frottement du disque sont représentés. un nombre égal de dispositifs d'appui élastique 9, 11. et une armature rigide 12 aménagée pour recevoir les plots et ces dispositifs. Plus particulièrement le disque mobile t est rendu solidaire de l'arbre 2 grâce à des clavettes non représentées tet des bagues d'appui 3 et 4 Il tourne donc avec l'arbre 2 et frotte au niveau de sa surface plane 5 sur la surface de frottement plane 6 de plots 7 ( 6 plots dans le cas décrit) Chaque plot 7 possède une partie avant cylindrique dont l'extrémité frontale constitue la surface 6 et est formée d'un matériau adéquat et une partie arrière 7 a cylindrique coaxiale se terminant par une portée sphérique convexe 8 -Le plot 7 s'appuie par cette portée sphérique 8 sur une portée sphérique concave 10 (ou conique tangente) d'une base rigide 9 Cette base 9 s'appuie elle-meme par sa partie arrière sur un ressort 11 constitué par un empilement de rondelle- "belleville" Ce ressort 11 prend à son tour appui sur une armature 12 solidarisée avec un corps tubulaire externe 13 par des douilles de ser- rage 14 et 15 vissées intérieurement dans ce corps La partie avant du plot 7 présente un diamètre inférieur à la partie arrière 7 a formant de ce fait un épaulement 19 Une t 8 le 20 solidaire de l'armature 12 est percée de trous 21 présentant un diamètre intermédiaire et assure la retenue du montage complet Bien entendu la surface 6 du plot dépasse de la tôle 20 Le diamètre accru de la partie arrière permet de donner à la - portée convexe qui la termine une aire plus grande que la surface de frottement du plot ce qui facilite l'appui et le glissement sur la base 9. Lors de la rotation du disque mobile 1 le frottement sur la sur- face 6 entraine le plot 7 dans le sens de rotation Un logement 16 porté par l'armature 12 et dans lequel est ajusté le plot 7 permet l'arrêt du plot en rotation Selon la figure 2 la rotation entraîne le plot 7 et la surface cylindrique 17 de sa partie arrière 7 a vient au contact de la paroi latérale 18 du logement 16, assurant de ce fait l'immobilité en translation circonférentielle du plot 7 lors de la rotation du disque 1. Les éventuels défauts géométriques ou de montage du disque 1 de même que des oscillations de l'arbre ou du corps fixe peuvent provoquer lors de la rotation des déplacements axiaux rapides de la surface 5 relativement à l'armature 12 Ces déplacements sont compensés par la mobilité axiale du plot 7 sur son ressort 11, sans qu'il y ait de perte de contact Ces mêmes-défauts géométriques peuvent entraîner des varia- tions faibles d'orientation de la surface 5 face à la surface 7. Celle-ci va suivre ces variations grâce à une rotation et un glis- sement sphérique de la portée 8 sur la-portée 10 - Des chocs ou vibrations à caractère axial vont également provoquer des variations de positions axiales de l'ensemble du disque 1 ce qui entrainera un écrasement ou un relâchement équivalent pour tous les ressorts 11. Le ressort pourrait être remplacé par une pastille ou rondelle élastique en élastomère non représentée dont l'élasticité axiale est autorisée soit par un trou central, soit par des cannelures sur le diamètre extérieur soit par des rainures radiales soit encore par des espaces aménagés autorisant un fluage sous contrainte de l'élastomère. Un matériau souple de remplissage remplit le logement 16 et permet aux éléments mécaniques de travailler en absence de boue ou liquide abrasif ambiant. Dans le cas d'application au forage, la circulation du fluide est permise par le perçage de lumières 23 en périphérie de l'armature 12. De manière plus générale il semble que les dispositions suivantes, qui sont appliquées dans le mode de réalisation décrit, soient aussi avantageuses dans d'autres modes de réalisation. 6 - La base 9 du plot 7 et le ressort 11 sont montés libres en dépla- cement circonférentiel dans le logement 16, la direction circonféren- tielle étant en tout point celle qui est perpendiculaire à la fois à l'axe 22 de l'arbre 2 et à la perpendiculaire abaissée de ce point sur cet axe Le déplacement circonférentiel du plot 7 sous l'action de la force de frottement appliqué à sa surface de frottement 6 est alors limité par butée de la-paroi latérale de sa partie arrière 7 a contre la paroi latérale de son logement 16 avant la mise en appui de cette base ou de ce moyen de poussée avec la paroi latérale du logement 16 et avant la mise en appui de la surface latérale de la partie avant de ce plot avec le bord d'un trou 21 percé dans la t 8 le d'obturation 20 pour laisser passer cette partie avant Cette tôle peut alors être mince et fixée par simple rivetage, car elle n'a pas d'effort sensible à supporter - Le diamètre de cette partie avant est supérieur à 50 % et de préfé- rence à 100 % de sa longueur, le coefficient de frottement desdites surfa- ces de frottement étant inférieur à 10 % Ceci permet que la répartition de la pression d'appui du plot sur sa surface de frottement ne soit pas sensiblement modifiée par le couple de forces de renversement qui est appliqué à ce plot et qui est constitué par d'une part la force de frottement appliquée dans une direction circonférentielle à l'extrémité avant du plot et par d'autre part la force-de réaction appliquée dans la direction circonférentielle opposée par la paroi latérale du logement 16 à la partie arrière du plot. -7- REVENDICATIONS 1/ Dispositif à plots de frottement pour l'appui axial élastique d'un arbre, comportant - un ensemble de pièces tournantes entraînées en rotation par un arbre ( 2) tournant autour d'un axe ( 22) par rapport à un corps externe ( 13), cet ensemble étant propre à transmettre une poussée axiale à cet arbre, cet axe définissant une direetion axiale, et un ensemble de pièces non tournantes reliées à ce corps externe de manière à empêcher leur rotation autour de cet axe et à pouvoir trans- mettre une poussée axiale à ce corps, ces deux ensembles coopérant l'un avec l'autre pour empêcher un déplacement axial dudit arbre ( 2 Y dans ledit corps tout en permettant sa rotation, et constituant Itun un pre- mier ensemble et l'autre un deuxième ensemble, le premier ensemble comportant au moins un disque d'appui axial ( 1) muni d'une surface de frottement ( 5) plane selon un plan perpendiculaire à l'axe ( 22) de l'arbre ( 2), cette surface présentant la torme d'une couronne circulaire coaxiale à cet arbre et étant constituée d'un maté- riau dur, le deuxième ensemble comportant des plots de frottement ( 7) s'étendant axialement, répartis angulairement autour de l'axe ( 22) de l'arbre ( 2), présentant chacun un axe ( 7 b) et formant chacun à une extrémité avant une surface de frottement ( 6) qui s'appuie sur la surface de frottement du disque d'appui ( 1) et qui est également constituée d'un matériau dur, un logement ( 16) pour entourer partiellement ehacun de ces plots de frottement et limiter ses déplacements, une armature ( 12) pour maintenir ces logements, et un élément de poussée axiale élastique ( 11) placé dans ce logement ( 16) pour appuyer élastiquement le plot ( 7) eontre le disque d'appui ( 1) de manière notamment à répartir entre les plots les efforts axiaux trans- mis entre l'arbre ( 2) et le corps externe ( 13) malgré d'éventuelles déformations de la surface de frottement de ce disque, ce dispositif étant caractérisé par le fait que chaque plot de frotte- ment ( 7) forme à son extrémité arrière une portée sphérique convexe ( 8) glissant sur une portée ( 10) formée sur une base ( 9) disposée dans le logement ( 16), 8 - ledit élément de poussée axiale ( 11) agissant entre une paroi ( 12) de ce logement et cette base, de manière à permettre à la fois à cet élément de supporter une force axiale importante, et à la surface de frotte- ment ( 6) du plot de s'ineliner facilement pour rester toujours en appui par toute son étendue sur la surface de frottement ( 5) du disque d'appui. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la portée sphérique convexe ( 8) de chaque plot ( 7) s'étend sur une portion d'une surface sphérique dont le centre est sur l'axe ( 7 b) du plot au voisinage de sa surface de frottement ( 6), de manière à assurer de manière permanente une répartition sensiblement uniforme de la pression d'appui de cette surface sur la surface de frottement du disque d'appui ( 1). 3/ Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le plot ( 7)-est de révolution autour de son axe ( 7 b). 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la partie arrière ( 7 a) du plot ( 7) présente un diamètre agrandi demanière d'une part à constituer un épaulement ( 19)coopérant avee une t 8 le d'obturation ( 20) qui obture partiellement la face avant du logement ( 16) pour retenir le plot dans ce logement en l'absenee du disque d'appui ( 1) et d'autre part à donner à sa portée sphérique convexe ( 8) un-diamà- tre supérieur à celui de sa surface de glissement ( 63. / Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la base ( 9) du plot ( 7) et le moyen de poussée ( 11) sont montés libres en déplacement eirconférentiel dans le logement ( 16), le déplacement cir- conférentiel du plot ( 7) sous I'action de la force de frottement appliqué à sa surface de frottement ( 6) étant limité par butée de la paroi laté- rale de sa partie arrière ( 7 a) contre la paroi latérale de son logement ( 16) avant la mise en appui de cette base ou de ce moyen de poussée avec la paroi latérale du logement ( 16) et avant la mise en appui de la surface latérale de la partie avant de ce plot avec le bord d'un trou ( 21) percé dans la t 8 le d'obturation ( 20) pour laisser passer cette partie avant, de manière à faciliter la fixation de cette tile, le diamètre de cette partie avant étant supérieur à 50 % et de préfé- rence à 100 % de sa longueur et le coefficient de frottement desdites surfaces de frottement étant inférieure à 10 %, de manière que la répar- 44032 -9- -tition de la pression d'appui du plot sur sa surface de frottement ne soit pas sensiblement modifiée par le couple de forces de renversement qui est appliqué à ce plot et qui est constitué par d'une part la force de frottement appliquée dans une direction circonférentielle à l'extré- mité avant du plot et par d'autre part la force de réaction appliquée dans la direction circonférentielle opposée par la paroi latérale du logement ( 16) à la partie arrière du plot - 6/ Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, carac- térisé par le fait que l'arbre ( 2) est celui de la turbine d'un moteur souterrain de forage, le corps externe ( 13) étant le corps tubulaire de cette turbine, ledit premier ensemble comportant une succession axiale de disques d'appui ( 1) coopérant chacun avec plusieurs plots-de frotte- ment ( 7) maintenus à l'aide d'une armature ( 12) présentant la forme d'une plaque annulaire percée de lumières ( 23) pour le passage axial d'une boue de forage qui fournit l'énergie motrice à cette turbine. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit logement ( 16) contient un matériau souple de remplissage assurant une protection lors de conditions sévères de température et d'abrasion.