Brevet FR2547877A1 — publié le 19841228

Dispositif à anneau de frottement oscillant pour l'appui axial d'un arbre L'invention concerne un dispositif à anneau de frottement oscillant pour l'appui axial d'un arbre. Ce dispositif comporte les éléments connus suivants - un ensemble de pièces tournantes entrainées en rotation par un arbre tournant autour d'un axe par rapport à un corps externe, la direction de cet axe étant une direction axiale, cet ensemble étant propre à transmettre une poussée axiale à cet arbre, - 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 transmettre une poussée axiale à ce corps, ces deux ensembles coopérant l'un avec l'autre pour empêcher un déplacement axial important 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 et le deuxième ensembles comportant chacun au moins un anneau de frottement muni d'au moins 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, étant constitués d'un matériau-dur, et frottant contre une surface de frottement d'un anneau de frottement correspondant de l'autre ensemble, chaque anneau de frottement du deuxième ensemble portant une surface de frottement sur une seule de ses faces axialement extrêmes, cette face étant une face arrière, - le deuxième ensemble comportant un elément d'appui élastique poussant l'anneau de frottement de cet ensemble dans une direction axiale vers l'avant pour l'appuyer de manière permanente contre l'anneau de frottement du premier ensemble, tout en permettant un petit coulissement axial de ces anneaux, - et une armature pour servir d'appui arrière à cet élément d'appui, - des moyens étant prévus pour empêcher la rotation de l'anneau de frottement du deuxième ensemble par rapport à cette armature autour dudit axe. Le dispositif selon l'invention peut notamment s'appliquer dans le cas où l'arbre est celui de la turbine dQun moteur souterrain de forage, le corps externe étant le corps tubulaire fixe de cette turbine Ledit premier ensemble comporte alors une succession axiale d'anneaux de frottement pouvant présenter chacun une surface de frottement sur chacune de ses deux faces et pouvant coopérer chacun avec deux anneaux de frottement du deuxième ensemble maintenus élastiquement chacun sur une armature distincte. Un tel moteur associé à un outil convenable est souvent appelé "turboforeuse", et on sait que les turboforeuses ainsi constituées doivent être équipées avec des butées transmettant des efforts longitudinaux considérables entre l'arbre tournant et le corps externe. Les anneaux de frottement 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. Elles sont par exemple constituées de carbure de tungstène, de concrétions diamantées ou d'alliages métalliques à haute dureté. La présence des éléments d'appui axial clan- tique permet notamment de repartir les efforts entre les divers anneaux de frottement ainsi que d'amortir les vibrations et les chocs axiaux. La fabrication d'un anneau de frottement monobloc rigide est plus simple que celle de la pluralité de plots de frottement indépendants que l'on a parfois utilise pour jouer le même role dans le deuxième ensemble. Un dispositif connu comportant les éléments précédemment men tionnés est décrit dans le document de brevet français rR-A-2 157 206 (Alsthom) ainsi que dans le document de brevet americain correspondant US-A 3,858,668 (Jean Bell), et il s'applique dans le cas indiqué ci-dessus. Dans ce dispositif connu les anneaux de frottement du premier ensemble, c'est-à-dire ceux qui sont entrains en rotation par l'arbre, ont leur face arrière, c'est-à-dire celle qui est opposée à la surface de frottement, portée par une couche d'un élastomère qui constitue ledit élément de poussée axiale. Leur rotation par rapport à l'arbre est empê- chée par adhérence sur cette couche ou clavetage sur l'arbre, tout déplacement axial se faisant avec un frottement important. Ce dispositif a permis d'augmenter la durée de service des turboforeuses, mais il est apparu que l'usure des surfaces de frottement limitait cette durée de manière gênante Cette usure est fortement accrue lorsque 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 anneaux de frottement oscillant permettant l'appui axial élastique d'un arbre et présentant une durée de service accrue, notamment en présence de boue de forage, tout en restant apte à transmettre des forces axiales importantes, et tout en restant de fabrication simple. Le dispositif objet de l'invention comporte les éléments connus précédemment mentionnés et il est caractérisé par le fait que le deuxième ensemble comporte en outre une douille de guidage mobile par rapport à ladite armature, cette douille étant coaxiale audit arbre et portant rigidement l'anneau de frottement de cet ensemble, - et une douille de guidage fixe par rapport à l'armature, cette douille fixe étant coaxiale et axialement coextensive à cette douille mobile, un jeu radial étant prévu entre ces deux douilles pour autoriser une petite inclinaison périodique de la douille mobile autour d'un axe d'inclinaison qui est perpendiculaire à l'axe de l'arbre, rencontre celui ci dans l'étendue axiale de ces douilles et peut tourner autour de celui-ci, une telle inclinaison périodique pouvant résulter d'une inclinaison parasite qui affecte éventuellement la surface de l'anneau de frottement du premier ensemble, qui est transmise à celui du deuxième ensemble en raison de l'appui axial permanent des deux anneaux de frottement l'un contre l'autre, et qui prend un caractère variable et périodique pour l'anneau du deuxième ensemble en raison de la rotation des anneaux l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de l'arbre, - des paires de rainures étant formées chacune par deux rainures mobile et fixe s'étendant axialement et creusées face à face dans les faces en regard de la douille mobile et de la douille fixe, respectivement, - une bille étant disposée dans chacune de ces paires de rainures avec un jeu suffisant pour permettre un coulissement axial aisé de la douille mobile par roulement des billes sur les parois de ces rainures, ce jeu étant en même temps suffisamment petit pour éviter un jeu angulaire de la douille mobile par rotation autour de l'axe de l'arbre, de manière à constituer lesdits moyens pour empêcher la rotation de l'anneau de frottement du deuxième ensemble tout enyfacilitant non seulement ledit petit coulissement axial de cet anneau mais aussi ladite inclinaison périodique. Chaque douille de guidage pourrait évidemment présenter diverses formes, par exemple, la forme de tiges s'étendant axialement pour porter les rainures et solidarisées les unes des autres par un anneau. Cependant pour faciliter la fabrication, la douille mobile et le moyen de pousséeélastique sont de préférence sensiblement de révolution autour de l'axe de l'arbre et il en est de même de la douille fixe. De plus, de préférence, la douille fixe entoure la douille mobile, l'armature étant solidaire du corps externe, de manière à faciliter le montage du dispositif autour de l'arbre avant la mise en place autour de ce corps externe. La réalisation du dispositif selon l'invention résulte essentiellement, comme déjà indiqué, du désir de diminuer l'usure des anneaux de frottement. Il est apparu que cette usure résultait en partie du fait que les deux surfaces de frottement qui coopèrent n'étaient pas exactement coplanaires et que le contact entre elles ne se faisait donc qu'en certains points. Il semble que l'usure soit alors accrue d'une part en raison d'une répartition hétérogène des efforts d'appui, d'autre part en raison de l'introduction exagérée de fines particules abrasives entre ces surfaces là où elles ne sont pas en contact, dans le cas où le milieu ambiant est constitué par une boue de forage. Il convenait donc soit de donner à l'un des anneaux de frottement la possibilité de s'incliner facilement dans tous les sens à chaque tour de l'arbre pour rester en contact par toute sa surface avec l'autre anneau si celui-ci était affecté d'une inclinaison accidentelle même petite, soit d'éviter toute inclinaison accidentelle sensible de cet autre anneau Or, d'une part, il est difficile de réaliser l'assemblage, d'une turboforeuse par exemple, de manière à éviter toute inclinaison sensible.Et, d'autre part, même lorsqu'un tel assemblage presque parfait a été réalisé, au prix d'une augmentation sensible du coût de fabrication, une inclinaison dommageable peut apparaitre en service en raison notamment des contraintes de flexion auxquelles sont soumis des corps externes et des arbres internes tels que ceux d'une turboforeuse. On sait en effet que les puits de forage sont parfois incurvés volontairement ou non. Il est donc apparu nécessaire aux inventeurs de prévoir une possibilité d'inclinaison périodique d'un des anneaux de frottement. On peut remarquer que le dispositif connu précédemment mentionné donne une telle possibilité.Mais il est conçu pour permettre essentiellement un petit coulissement axial, sans oscillation, sous l'action d'une force importante et il semble que, par suite de la raideur de 11 élastomère utilisé ou par suite de frottements métal sur métal, l'inclinaison ne se fasse pas de manière suffisamment aisée. Il semble difficile d'éviter cette conséquence nuisible en diminuant cette raideur ou ces frottements car il est d'autre part nécessaire, pour éviter d'autres phénomènes conduisant eux aussi à une usure exeessive, que les anneaux de frottement n'aient aucun jeu angulaire sensible en rotation autour de l'axe de l'arbre, par rapport à l'ensemble auguel chacun appartient. De tels jeux seraient dommageables pour les raisons suivantes risques d'accoups de couple sur les dispositifs d'arrêt en rotation, ruptures des organes dvarrêt. On sait par ailleurs que des glissibres à billes permettent un coulissement axial aisé d'un arbre dans une douille tout en évitant tout jeu angulaire sensible si les billes sont guidées dans des rainures en regard. Mais ces glissières sont connues pour empêcher toute inclinaison de l'arbre dans la douille. Il a été trouvé, selon la présente invention, qu'un système apparenté à une glissière à billes pouvait non seulement autoriser2 mais encore faciliter de telles inclinaisons, ceci en l'absence de tout jeu anormal. Cette facilité d'inclinaison en présence d'efforts axiaux et circonférentiels importants tient notamment au fait que, au niveau de chaque bille toute inclinaison par rotation autour d'un axe d'inclinaison particulier se traduit en partie par un déplacement axial, de sens et d'amplitudes divers selon la paire de rainures considérée, et qu'un tel déplacement est facilité par le roulement d'une bille dans les rainures. 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 etre compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de llinvention9 ot:e remplacés par d'autres éléments assurant les memes fonctions tcchniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une demie vue dvun dispositif selon l'invention en coupe par un plan axial I-9 de la figure 2. La figure 2 représente une demie vue du meme dispositif en coupe par un plan transversal Il-I I de la figure 1 La figure 3 représente un détail 1II de la figure 2 à échelle agrandie. Le dispositif décrit à titre d'exemple comporte 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, et un ensemble de pièces non tournantes reliées à ce corps externe de manière à empecher leur rotation autour de cet axe et à pouvoir transmettre une poussée axiale à ce corps. Le premier ensemble comporte plusieurs anneau. de frottement tel que 1 se succédant axialement et pouvant etre munis chacun de deux surfaces de frottement opposées dont une seule est représentée et qui frottent chacune contre l'unique surface de frottement d'un anneau de frottement tel que 6 du deuxième ensemble. Ce dernier comporte en outre un élément d'appui élastique 17 poussant une face arrière de l'anneau de frottement 6 de cet ensemble dans une direction axiale vers l'avant pour l'appuyer de manière permanente contre anneau de frottement 1 du premier ensemble, tout en permettant un petit coulissement axial de ces anneaux, et une armature 12 pour servir d'appui arrière à cet élément de poussée. Selon l'invention le deuxième ensemble comporte encore une douille de guidage 28 mobile par rapport à l'armature 12, cette douille étant coaxiale à l'arbre 22 et portant rigidement l'anneau de frottement 6 de cet ensemble, et une douille de guidage 33 fixe par rapport à l'armature 12. Des rainures mobiles 30 et fixes 32 s'étendent axialement et sont creusées face à face dans les faces en regard de la douille mobile et de la douille fixe, respectivement. Une bille 31 est disposée dans chaque paire de rainures se faisant face. Ces billes sont disposées avec un jeu suffisant pour permettre un coulissement axial aisé de la douille mobile par roulement des billes sur les parois de ces rainures. Quoique ce jeu soit en même temps suffisamment petit pour éviter un jeu angulaire de la douille mobile par rotation autour de l'axe de l'arbre, il est apparu qu'il permettait à la douille mobile d'effectuer aisément l'inclinaison périodique précédemment mentionnée. Bien entendu la raideur de l'élément d'appui axial est choisie suffisamment faible pour permettre cette inclinaison aisée, par déformation variable le long de son périmètre. Elle est, dans l'exemple décrit choisie plus faible que s'il agissait seulement d'encaisser les déplacements axiaux prévisibles. Cet élément est par exemple constitué par une rondelle d'acier tronconique du type "Belleville". Dans cet exemple 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, l'armature 12 solidaire du corps externe 13 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 cetteturbine. Quoique les anneaux de frottement soutent de préférenoe réalisés sous la forme de pièces rapportées, il est clair qu'ils pourraient titre aussi sous la forme de parties d'organes monobloc plus étendus incluant par exemple l'arbre 2 ou la douille mobile 28. On adopte de plus de préférence et selon les circonstances, les dispositions suivantes Les rainures comportent des butées d'extrémité limitant la course axiale des billes à une longueur utile inférieure à 4RA, A étant l'angle d'inclinaison périodique exprimé en radians imposé à l'anneau 6 par l'inclinaison parasite maximale prévisible de l'anneau de frottement 1, et R étant la distance du centre des billes à l'axe de l'arbre. Ces anneaux de frottement sont fabriqués et montés pour que cet angle soit inférieur à 1/100 de radian. Une telle valeur est facile à obtenir. D'autre part, dans le cas d'une turboforeuse de type habituel la courbure éventuelle du puits ne risque que très exceptionnellement d'amener cet angle au-dessus de cette valeur. Ceci permet de limiter la diminution maximale 2RA2 qui affecte la distance radiale d'une extrémité d'une rainure mobile à la rainure fixe qui lui fait face lorsque la douille mobile s'incline de cet angle. Conformément aux figures 2 et 3 les rainures ont une section choisie pour que les billes 31 viennent en appui sur leurs flancs 30A et non sur leur fond 30B, de manière qu'une modification du jeu dans la direction radiale entraine une modification moindre du jeu dans la direction circonférentielle qui est celle qui est perpendiculaire à la fois à la direction radiale et à la direction axiale. La distance R du centre de la bille à l'axe de l'arbre est fonction de la dimension nominale du dispositif et peut être comprise entre 15 et 200 mm, le jeu radial de la bille dans les rainures étant compris entre 0,05 mm et 0,2 mm et son jeu circonférentiel entre oye05 mm et 0,2 mm en l'absence d'inclinaison et d'effort. Le ressort 17 est comprimé entre la face arrière de la douille mobile 28 et l'armature 12. La course des billes 31 est limitée seulement par une butée arrière dans les rainures fixes 32. Ceci permet d'introduire les billes d'abord radialement dans les rainures mobiles pendant le montage du dispositif lorsque la douille mobile n'est encore que partiellement engagée axialement dans la douille fixe 33 à partir de 19avant de cette dernière, puis de faire glisser ces billes axialement vers l'arrière dans les rainures fixes et mobiles à la fois, puis de pousser la douille mobile axialement vers l'arrière en comprimant le ressort 17 jusqu'à ce que cette douille atteigne sa position de service. REVENDICATIONS 1/ Dispositif à anneau de frottement oscillant pour l'appui axial 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), la direction de cet axe étant une direction axiale, cet ensemble étant propre à transmettre une poussée axiale à cet arbre, - 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 transmettre une poussée axiale à ce corps, ces deux ensembles coopérant l'un avec l'autre pour empêcher un déplacement axial important dudit arbre (2) dans ledit corps tout en permettant sa rotation, et constituant l'un un premier ensemble et l'autre un deuxième ensemble. - le premier et le deuxième ensembles comportant chacun au moins un anneau de frottement (1) muni d'au moins une surface de frottement plane selon un plan perpendiculaire à l'axe (22) de l'arbre (2), cette surface présentant la forme d'une couronne circulaire coaxiale à cet arbre, étant constituee d'un matériau dur, et frottant contre une surface de frottement d'un anneau de frottement correspondant (6) de l'autre ensemble, chaque anneau de frottement du deuxième ensemble portant une surface de frottement sur une seule de ses faces axialement extrêmes, cette face étant une face avant et la face opposée étant une face arrière, - le deuxième ensemble comportant un élément d'appui élastique (17) poussant une face arrière de l'anneau de frottement (6) de cet ensemble dans une direction axiale vers l'avant pour l'appuyer de manière permanente contre l'anneau de frottement (1) du premier ensemble, tout en permettant un petit coulissement axial de ces anneaux, - et une armature (12) pour servir d'appui arrière à cet élément d'appui, - des moyens étant prévus pour empêcher la rotation de l'anneau de frottement du deuxième ensemble par rapport à cette armature autour dudit axe (22), - ce dispositif étant caractérisé par le fait que le deuxième ensemble comporte en outre - une douille de guidage (28) mobile par rapport à ladite armature (12), cette douille étant coaxiale audit arbre (2) et portant rigidement l'anneau de frottement (6) de cet ensemble, - et une douille de guidage (33) fixe par rapport à l'armature (12), cette douille fixe étant coaxiale et axialement coextensive à cette douille mobile, un jeu radial (3g) étant prevu entre ces deux douilles pour autoriser une petite inclinaison, de la douille mobile autour d'un axe d'inclinaison qui est perpendiculaire à l'axe (22) de l'arbre (2), rencontre celui ci dans l'étendue axiale de ces douilles et peut tourner autour de celui-ci, une telle inclinaison pouvant résulter notamment d'une inclinaison parasite éventuelle de la surface de l'anneau de frottement (1) du premier ensemble transmise à celui du deuxième ensemble, en raison de l'appui axial permanent des deux anneaux de frottement (1, 6) l'un contre l'autre, - des paires de rainures étant formées chacune par deux rainures mobile (30) et fixe (32) s'étendant axialement et creusées face à face dans les faces en regard de la douille mobile (28) et de la douille fixe (33), respectivement, - une bille (31) etant disposées dans chacune de ces paires de rainures avec un jeu suffisant pour permettre un coulissement axial aisé de la douille mobile par roulement des billes sur les parois de ces rainures, ce jeu étant en même temps suffisamment petit pour éviter un jeu angulaire de la douille mobile par rotation autour de l'axe de l'arbre (2), de manière à constituer lesdits moyens pour empêcher la rotation de l'anneau de frottement du deuxième ensemble tout en facilitant non seulement ledit petit coulissement axial de cet anneau mais aussi ladite inclinaison périodique. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les rainures (30, 32) comportent des butées d'extrémité limitant la course axiale des billes (31) à une longueur utile inférieure à 4RA, A étant l'angle d'inclinaison périodique exprimé en radians imposé à l'anneau de frottement (6) du deuxième ensemble par l'inclinaison parasite maximale prévisible de l'anneau de frottement (1) du premier ensemble, et R étant la distance du centre des billes à l'axe de l'arbre (2), - ces anneaux de frottement étant fabriqués et montés pour que cet angle d'inclinaison soit inférieur à 1/100 de radian, de manière à limiter la diminution maximale 2RA2 qui affecte la distance radiale d'une extrémité d'une rainure mobile (30) à la rainure fixe (32) qui lui fait face lorsque la douille mobile (28) s'incline de cet angle d'inclinaison et de manière que cette diminution de distance reste ainsi compatible avec un déplacement axial aisé de cette rainure mobile. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les rainures (30, 32) ont une section choisie pour que les billes (31) viennent en appuisur leurs flancs (30A) et non sur leur fond (30B), de manière qu'une modification du jeu dans la direction radiale entraine une modification moindre du jeu dans la direction circonférentielle qui est celle qui est perpendiculaire à la fois à la direction radiale et à la direction axiale. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la distance R du centre de la bille (31) à l'axe (22) de l'arbre (2) est comprise entre 15 et 200 n, le jeu radial de la bille dans les rainures (30, 32) étant compris entre 0,05 et 0,2 mm et son jeu circonférentiel entre 0,05 et O,2nrnen l'absence d'inclinaison et d'effort. 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément de poussée axiale (17) est comprimé entre une face arrière de cette douille mobile (28) et ladite armature (12), - et la course des billes (31) est limitée seulement par une butée arrière dans les rainures fixes (32) et est limitée au moins par une butée avant dans les rainures mobiles (30), de manière à permettre d'introduire les billes d'abord radialement dans les rainures mobiles pendant le montage du dispositif lorsque la douille mobile n'est encore que partiellement engagée axialement dans la douille fixe (33) à partir de l'avant de cette dernière, puis de faire glisser ces billes axialement vers l'arrière dans les rainures fixes et mobiles à la fois, puis de pousser la douille mobile axialement vers l'arrière en comprimant l'élément de poussée élastique (17) jusqu'à ce que cette douille atteigne sa position de service, la course des billes étant alors limitée entre ces butées avant et arrière. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la douille fixe (33) entoure la douille mobile (28), l'armature (12) étant solidaire du corps externe (13), de manière à faciliter le montage du dispositif autour de l'arbre (2) avant la mise en place du corps externe (13). 7/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la douille mobile (28) et le moyen de poussée élastique (17) sont sensiblement de révolution autour de l'axe (22) de l'arbre (2). 8/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé 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, l'armature (12) solidaire du corps externe (13) 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.