Brevet FR2557245A1 — publié le 19850628

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ETANCHEIFICATION POUR ARBRES La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'étanchéification pour arbres. Pour étancher des pièces tournant l'une par rapport à l'autre, on utilise des garnitures ou joints d'étan- chéité. Ces joints d'étanchéité agissent en général entre un carter fixe et un arbre monté rotatif et faisant saillie à l'extérieur dudit carter. Des broches de toutes formes connues et prévues pour différentes applications ne peuvent travailler sans incident et atteindre des durées d'utilisation élevées que lorsqu'elles sont protégées par des joints d'étanchéité efficaces pendant tout leur temps de fonctionnement, de façon que la pénétration de poussière et de liquide et, dans de nombreux cas d'application également, l'échappement de grais- ses soient empêchés. Il existe un grand nombre de garnitures d'étanr- chéité pour arbres avec ou sans contact, qui sont décrits très précisément dans les manuels classiques consacrés à la construction de machines et d'appareils, ainsi que dans les notices des fabricants. Les joints d'étanchéité à contact, dans lesquels des lèvres d'étanchéité glissent avec une pression d'appui définie sur les parties de machines en rotation, assurent en général un étanchement sûr contre des corps étrangers suscep- tibles de pénétrer, mais ils ne peuvent toutefois être utili- sés que d'une manière limitée dans les cas de vitesses de rotation élevées, en raison du contact glissant et de la chaleur de frottement produite de ce fait, car ou bien ils sont détériorés par le frottement et la chaleur et/ou encore cette élévation de température a pour effet d'altérer dévafo- rablement les composants adjacents, en général le palier ou le système dans son ensemble. La durée d'utilisation des paliers et des grais- ses se trouve réduite de façon importante en cas de températu- res de service élevée. La vitesse périphérique maximale -2- admissible des joints d'étanchéité à contact d'agencements divers est limitée et dépend de la forme de construction des conditions ambiantes ainsi que des matériaux qui constituent la garniture d'étanchéité. Le graissage et l'état de la sur- face en rotation contre la lèvre d'étanchéité ont aussi un effet important. La limite d'utilisation supérieure pour les joints d'étanchéité à contact se situe à une vitesse périphé- rique de 30 m/s. Lorsqu'on respecte les cotes de montage pres- crites par les fabricants, il se développe sur les surfaces rotatives des températures entraînant un échauffement et des variations dimensionnelles consécutives du système à paliers et broches qui altèrent sensiblement la précision et le fonc- tionnement de la machine. Les joints d'étanchéité sans contact comportant un interstice radial ou axial uni très étroit ou comportant un interstice à labyrinthe, qui ont été jusqu'ici utilisés dans le cas de broches à rotation rapide, ne conviennent pas pour fonctionner dans tous les cas d'utilisation. En général, on monte de façon supplémentaire devant la garniture d'étanchéité sans contact, un disque formant un flasque tournant avec l'arbre, qui empêche des agents de contamination et des liquides de parvenir directe- ment sur l'interstice d'étanchement et qui renvoie par effet centrifuge la poussière et les liquides. L'efficacité du joint d'étanchéité, qui est déterminée par la longueur de l'inter- stice d'étanchement ou le nombre des labyrinthes est souvent très limitée par l'espace de montage disponible, fréquemment très faible. Pour constituer une broche rigide, la distance entre le point d'application extérieur des forces sur l'extré- mité de l'arbre de broche et l'assise des paliers doit être aussi courte que possible. Pour empêcher, au cours du processus de glisse- ment, la pénétration d'un agent de refroidissement et de -3- poussière, on peut également utiliser un milieu d'arrêt, par exemple de l'air comprimé et accroître ainsi l'action d'étan- chement. Toutefois, lors de l'interruption de fonctionnement de la broche, il se produit égalementune interruption d'arri- vée d'air de barrière ou d'arrêt ou du brouillard d'huile amené avec l'air comprimé, si bien. que des gouttelettes d'eau peuvent parvenir en provenance du local de travail à l'inté- rieur de la broche à travers l'interstice ou labyrinthe d'é- tanchement. De même, la pénétration d'agent de refroidisse- ment est possible lorsque, dans le cas de faibles vitesses de rotation, l'effet centrifuge du flasque en forme de disque n'existe plus et l'air de barrière est supprimé. Surtout dans le cas des technologies modernes d'enlèvement de matière à haut rendement utilisées dans la construction des machines et appareils, de même que dans le travail du bois, de la pierre et des supports pour l'industrie électronique, il faut appliquer de très grandes quantités d'agents de refroidissement sur les zones d'attaque des outils pour dissiper la chaleur produite pendant l'enlèvement de matière et pour évacuer les copeaux. La quantité d'agent de refroidissement nettement plus grande qui doit être admise très fréquemment sous pression élevée, exige un étanchement amélioré des arbres moteurs et des broches d'usinage contre les liquides et les poussières pouvant pénétrer. Le but de l'invention est de rendre étanches les arbres moteurs et les broches d'usinage pendant le pro- gramme de travail et pendant les phases de repos, contre la pénétration du liquide de refroidissement. Il est aussi nécessaire de disposer d'une garni- ture d'étanchéité d'arbre qui étanchéifie hermétiquement de l'extérieur l'arbre au repos et en rotation à faible vitesse et qui agisse pour les vitesses moyennes de rotation jusqu'aux vitesses les plus élevées, à la manière d'un joint d'étanchéi- té sans contact. - 4- L'objectif précité est atteint selon l'invention par l'utilisation d'un joint d'étanchéité pour arbres, élasti- que et à contact d'un mode d'agencement connu, qui est monté sur la partie rotative du système à broche et dont la pression d'appui sur la surface d'étanchement décroît jusqu'à être finalement entièrement supprimée du fait que les forces cen- trifuges devenant à cette occasion actives ont pour effet de supprimer d'une manière de plus en plus grande la pression d'appui sur la lèvre d'étanchéité. Pour favoriser le soulève- O10 ment de la lèvre d'étanchéité à partir de la surface d'étan- chement et le produire déjà en cas de vitesse périphérique sensiblement basse, on insuffle conformément à l'invention de l'air comprimé entre la face active de la lèvre élastique d'étanchéité et la surface d'étanchement, à travers une multi- plicité d'alésages formant des buses qui sont répartis d'une manière appropriée sur la surface d'étanchement. Par l'expres- sion surface d'étanchement au sens de l'invention, on entend la surface d'appui recouverte par la face active de la lèvre d'étanchéité sur la partie de la machine non rotative. Les alésages formant les buses d'insufflation sont par suite recouverts par la face active de la lèvre d'étanchéité. Le coussin d'air ainsi produit permet de régler de façon idéale l'instant de soulèvement. On obtient ainsi, pour des vitesses de rotation lentes et rapides, un étanche- ment pleinement efficace qui n'a pas une influence défavorable sur les caractéristiques de la broche. La broche à l'arrêt est ainsi protégée d'une manière sure, avec ou sans admission d'air comprimé, contre la pénétration des poussières et des liquides. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple d'agencement du joint d'étanchéité de l'invention, donné à titre indicatif, mais nullement limitatif, en référance au dessin annexé, dans -5- lequel: la figure unique représente une vue en coupe transversale du système d'étanchement de paliers d'une broche avec un joint d'étanchéité axial élastique pour arbres. Sur la figure unique l'anneau axial 1 d'étanche- ment d'arbre est fixé dans le disque formant un flasque 2 avec lequel les paliers 4 et 5 sont fixés sur l'arbre 3. Le disque contrarotatif 6 est pourvu sur sa surface d'étanchement 12 de nombreux petits alésages 8 dont le cercle primitif se situe sur le diamètre de lèvre de l'anneau axial 1 d'étanche- ment d'arbre et qui sont alimentés en air par l'intermédiaire du raccord 10 d'air comprimé. La deuxième possibilité d'admission d'air com- primé est une fente plus étroite prévue un peu en dessous de la surface d'application de la lèvre, ce qui assure égale- ment un soulèvement de celle-ci. Comme troisième possibilité, on réalise le dis- que contrarotatif 6 en matériau fritté poreux, à savoir un matériau perméable à l'air. La lèvre d'étanchéité ll vient s'appuyer contre la surface d'étanchement 12. Lorsque la vitesse de rotation du joint 1 d'étanchement d'arbre, rigidement calé sur l'arbre 3 par l'intermédiaire du flasque 2 en forme de disque, s'accroît, les forces centrifuges exercées sur la lèvre d'é- tanchéité 11 augmentent et ont tendance à redresser radiale- ment vers l'extérieur ladite lèvre d'étanchéité ll appliquée suivant une inclinaison contre la surface d'étanchement 12. A cet effet, la pression d'appui de la lèvre d'étanchéité ll contre la surface d'étanchement 12 diminue jusqu'à atteindre la valeur 0, à savoir jusqu'à ce que finale- ment la lèvre d'étanchéité ll se soulève ou se sépare de la surface d'étanchement 12. Pour favoriser le processus de sou- lèvement du joint d'étanchéité, on utilise de l'air comprimé qui a pour effet de constituer un coussin d'air sur la face de contact représentant la face active, entre le joint d'étanché- -6- ité 1 et la surface d'étanchement 12, et s'oppose à l'action de la force d'appui ou d'application de la lèvre d'étanchéité 11. La vitesse de soulèvement en rotation de la lèvre d'étan- chéité ll à partir de la surface d'étanchement 12 peut ainsi être prétransposée vers les basses vitesses de rotation et le frottement peut également être rendu minimal dans la région de transition. Ainsi, on obtient un étanchement pleinement efficace dans le cas des vitesses de rotation rapides et len- tes. De même, la broche à l'arrêt est protégée avec ou sans admission de pression contre des gouttelettes d'eau risquant de pénétrer. Les labyrinthes à l'intérieur de la garniture d'étanchéité glissante ont pour tâche d'assurer la plus gran- de résistance possible contre la pénétration de l'air compri- mé à l'intérieur de la broche, afin qu'il ne se produise pas d'expulsion de l'huile de base à partir de la graisse des paliers et que l'air s'écoulant vers l'extérieur confère une protection suffisante contre des particules solides risquant de pénétrer et que la lèvre d'étanchéité soit en conséquence protégée contre l'usure. L'invention peut être également d'une manière convenable appliquée aux joints radiaux d'étanchement d'ar- bres, lorsque ledit joint radial est fixé dans la pièce rota- tive et que l'air comprimé est envoyé entre les surfaces de contact d'une ou plusieurs lèvres d'étanchéité et la surface d'appui cylindrique non rotative à travers un anneau compor- tant une multiplicité d'alésages constituant des buses en produisant ainsi un coussin d'air qui permet de commander le moment du soulèvement ou de la séparation. Pour toutes les formes de réalisation de l'in- vention, il est important que les alésages d'insufflation soient recouverts par des surfaces actives de l'anneau d'étan- chement d'arbre, car ce n'est que de cette façon qu'un soulè- vement (ou une séparation) régulier est assuré lors de l'admission du fluide sous pression. -7- Les expressions "une multiplicité d'alésages" et "une couronne d'alésages" désignent respectivement, au sens de l'invention, un nombre d'alésages, de préférence ré- partis régulièrement, assez grand pour que lors de l'admission du fluide sous pression, un soulèvement ou une séparation de la surface active de l'anneau d'étanchement d'arbre se produise sur toute la surface d'étanchement. Tout spécialiste du secteur technique considéré est à même, sur la base de ces indications, de déterminer un nombre approprié de tels alésages. - 8- REVENDICATIONS 1. Procédé d'étanchéification d'une partie de machine tournant par rapport à une autre et faisant saillie à l'exté- rieur de celle-ci, au moyen d'un anneau d'étanchement d'arbre rigidement assemblé à la partie de mechine rotative et compor- tant des lèvres d'étanchéité élastiques axiales ou radiales d'un mode d'agencement connu, de façon qu'au repos ou en présence de déplacements relatifs lents, une étanchéité à contact, hermétique soit obtenue et, avec lequel, en fonction d'un accroissement de la vitesse relative, la lèvre d'étanché- - ité se trouve délestée d'une manière pré-déterminable et réglable à partir de l'extérieur pour être soulevée ou sépa- rée de la surface d'étanchement, avec transformation en un étanchement d'arbre sans contact, caractérisé par le fait que l'on insuffle de l'air comprimé entre l'anneau d'étanche- ment (11) d'arbre et la surface d'étanchement (12) à travers une couronne d'alésages (8) formant des buses d'insufflation en produisant ainsi un coussin d'air. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'admission d'air comprimé favorisant le soulèvement du joint d'étanchéité n'a lieu respectivement qu'en phase de démarrage ou dans le cas de basses vitesses de rotation. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant une partie de ma- chine tournant par rapport à une autre et saillant à l'exté- rieur de celle-ci, ainsi qu'un anneau d'étanchement d'arbre rigidement relié à la partie de machine rotative et présentant des lèvres d'étanchéité élastiquesaxiales ou radiales d'un type d'agencement connu, de façon qu'au repos ou pour des déplacements relatifs lents, une étanchéité à contact, hermé- tique soit obtenue, la lèvre d'étanchéité étant détestable de façon prédéterminable et réglable à partir de l'extérieur, en présence d'une vitesse relative croissante, caractérisé par la présence d'une couronne d'alésages formant des buses - -- entre l'anneau d'étanchemelt d'arbre et la surface d'étanche- ment pour l'insufflation d'air comprimé et la production d'un coussin d'air.