Brevet FR2576077A1 — publié le 19860718

"JOINT A BAGUES DE GLISSEMENT" L'invention concerne un joint à bagues de glisse- ment pour rendre étanche un arbre tournant par rapport à une paroi, ce joint comprenant une partie de cage munie de connexions pour un liquide d'étanchéité, et des anneaux d'étanchéité munis de bagues de glissement et disposés l'un par rapport à l'autre de manière que les surfaces de glissement d'étanchéité des bagues de glissement soient pressées l'une contre l'autre et tournent l'une par rap- port à l'autre, chaque bague de glissement étant fixée à son anneau d'étanchéité au moyen d'un ajustement serré par retrait de manière que la force de compression radiale de cet ajustement serré par retrait soit dirigée en tota- lité de façon à agir sur le centre de la masse de l'aire en section transversale de la bague de glissement. Ce type de joints est très bien connu dans divers domaines techniques. Les joints à bagues de glissement conviennent en particulier à des pompes utilisées dans des industries lourdes, des liquides contenant des solides et des impuretés étant pompés au moyen de ces pompes. Lorsqu'elles sont soumises à des conditions provo- quant une usure, les bagues de glissement proprement dites des joints à bagues de glissement sont en général fabri- quées par exemple en métaux durs, en céramiques oxydées ou en carbures de silicium. La raison de l'utilisation des matériaux résistant à l'usure est que lorsqu'elles tournent l'une contre l'autre, les bagues de glissement sont soumises à la fois à une usure par adhérence et à une usure par abrasion. Les parties de la cage des joints sont normalement fabriquées par exemple en acier résistant aux acides. Mais il est évident que l'on sélectionne sou- vent les matériaux en fonction de la situation opération- nelle de chaque cas particulier. Dans les solutions utilisées dans le passé, les bagues de glissement résistantes à l'usure d'un joint à bagues de glissement ont été disposées dans leur anneau d'étanchéité au moyen d'un ajustement serré par retrait en commençant par chauffer l'anneau d'étanchéité de ma- nière qu'il se dilate dans des proportions telles qu'il soit possible de disposer la bague de glissement dans un évidement usiné dans l'anneau d'étanchéité. Lorsque l'an- neau d'étanchéité se refroidit, la bague de glissement se trouve serrée et est ainsi fixée en place. L'inconvé- nient de ce procédé de fixation est que la surface de glissement de la bague de glissement se distord du fait de la force de compression qui agit en direction radiale. Il est évident que l'on peut éliminer cette distorsion par usinage de la surface de glissement au stade de la fabrication, mais que des distorsions considérables de la surface de glissement par rapport à la surface plane d'ori- gine peuvent survenir dans une situation de fonctionnement o la température peut être nettement différente de la température de l'usinage de la surface de glissement. Il est suffisamment clair que l'on ne peut réaliser un joint efficace au moyen d'une telle surface distordue. De plus, on a constaté, dans la pratique, que les bagues de glis- sement fixées comme décrit ci-dessus s'usent rapidement du fait que les surfaces de glissement des bagues de glis- sement qui sont disposées l'une contre l'autre en fonction- nement ne sont pas parallèles l'une à l'autre sur toutes leurs surfaces de glissement, mais que certaines parties de bord sont proches l'une de l'autre alors que d'autres sont à une plus grande distance l'une de l'autre. En d'autres termes, les surfaces de glissement forment un angle l'une par rapport à l'autre. Le problème est en outre aggravé par la tendance que présente la bague de glissement à se distordre en utilisation. Ce phénomène a lieu par exemple sous l'action d'une dilatation thermi- que qui fait que la périphérie externe de la bague de glissement se dilate, en raison de la chaleur produite, plus fortement que la périphérie interne qui est refroi- die par le liquide ou l'air d'étanchéité. La pression du produit provoque également une distorsion dans la même direction. Ces inconvénients sont connus depuis longtemps et il existe plusieurs solutions qui ont été mises au point pour les éliminer. Des exemples de telles solutions se- raient les solutions décrites dans le brevet US 4 261 580. Il est connu par ce brevet de diriger la force de compres- sion radiale de l'ajustement serré par retrait vers le centre de l'aire en section transversale de la bague de glissement. Mais comme indiqué également dans ce brevet, une solution de ce type n'est pas suffisamment bonne car les déformations axiales de l'anneau d'étanchéité continuent à distordre la surface de glissement de la bague de glissement. C'est pourquoi un jeu axial entre la bague de glissement et l'anneau d'étanchéité est décrit en tant qu'invention dans le brevet US 4 261 581, la bague de glis- sement étant supportée sur l'anneau d'étanchéité sensible- ment au moyen d'une force de support radiale agissant par le centre de l'aire en section transversale de la bague de glissement. Un inconvénient de cette solution est que la bague de glissement doit être extrêmement rigide du fait du support axial qui fait défaut. En outre, le trans- fert de chaleur entre la bague de glissement et l'anneau d'étanchéité est en particulier difficile du fait que la surface du support de la bague de glissement est réduite. Le but de l'invention est de proposer un joint à bagues de glissement évitant les inconvénients des solu- tions antérieures. On obtient ce résultat au moyen d'un joint à bagues de glissement selon l'invention qui est caractérisé en ce que la force axiale créée par des défor- mations de l'anneau d'étanchéité est dirigée en totalité de façon à agir sur le centre de la masse de la section transversale de la bague de glissement. Un avantage de l'invention est que la bague de glissement est supportée de façon très efficace à la fois radialement et axialement, ce qui fait que la surface de glissement n'est pas distordue. De plus, la construction selon l'invention est simple, et il en résulte que les coûts de fabrication sont très avantageux. Une raison de ces coûts de fonctionnement avantageux vient du fait que les surfaces de glissement disposées l'une contre l'autre sont précisément parallèles en situation de fonctionnement, l'effet d'étanchéité étant ainsi favorable et aucune usure irrégulière n'apparaissant. L'invention sera expliquée plus en détail dans ce qui suit en faisant référence à l'art antérieur illustré sur les dessins annexés et à un exemple préféré de mise en oeuvre de l'invention: Figure 1 montre les caractéristiques principales d'une construction de joint à bagues de glissement spéci- fique et connue; Figure 2 est une vue, à plus grande échelle, d'une structure de fixation d'une bague de glissement, cette structure étant utilisée en liaison avec la construction connue de figure 1; - Figure 3 illustre les caractéristiques principales d'une structure de fixation d'une bague de glissement selon l'invention. La figure 1 représente les caractéristiques princi- pales d'une construction de joint à bagues de glissement connue dans l'art. Sur la figure, une partie de la cage de la construction de joint est indiquée dans son ensem- ble par la référence 1. Un arbre rotatif tel qu'un arbre de pompe est désigné par la référence 2. Le produit à pomper est désigné par la référence 3. Des anneaux d'étan- chéité contenus dans le joint à bagues de glissement sont désignés par la référence 4 et les bagues de glissement fixées aux anneaux d'étanchéité sont désignés de façon correspondante par la référence 5. Un liquide d'étanchéité formant un film de lubrification entre les surfaces de glissement des bagues de glissement 5 est désigné par la référence 6 à la figure 1. En outre, les flèches M et N de la figure indiquent de façon générale et respectivement une entrée et une sortie du liquide d'étanchéité. Ces éléments appartiennent tous à l'art antérieur, ce qui fait que la construction selon la figure 1 ne sera pas décrite ici plus en détail. Le cercle de la figure 1 désigne un point qui est représenté schématiquement à plus grande échelle à la figure 2. Cependant, il est clair que la figure 2 peut représenter l'une quelconque des bagues de glissement montrées à la figure 1. Les mêmes références qu'à la figure 1 sont utilisées pour les éléments correspondants de la figure 2. Dans la construction connue selon la figu- re 2, la bague de glissement 5 est fixée à l'anneau d'étan- chéité 4 au moyen d'un ajustement serré par retrait agis- sant en direction radiale. Cet ajustement serré par retrait est réalisé d'une manière connue en soi en chauffant l'an- neau d'étanchéité 4 qui se dilate. On dispose la bague de glissement 5 dans l'anneau d'étanchéité dilaté qui se rétracte en refroidissant, ce qui fait que la bague de glissement 5 est fixée sur l'anneau d'étanchéité 4. Les lignes continues de la figure 2 représentent une situation dans laquelle la bague de glissement 5 est fixée dans l'anneau d'étanchéité chauffé 4 et les lignes discontinues une situation apparaissant après le refroidissement de l'anneau d'étanchéité. De plus, l'effet de la force de l'ajustement serré par retrait est montré en principe au moyen de flèches à la figure 2. Il est clair que la situa- tion montrée par les lignes discontinues à la figure 2 est fortement exagérée car des distorsions de telles dimensions n'apparaissent pas dans la réalité. Cependant, c'est un fait que la surface de glissement de la bague de glissement , qui est représentée à la figure 2 par la surface libre de droite, est distordue en principe comme montré à la figure 2. La forme conique de la bague de glissement 5 pro- voquée par le refroidissement peut être éliminée par meu- lage de la surface de glissement de manière qu'elle devien- ne plane. Mais le problème n'est pas éliminé par ce meulage car dans la pratique la bague de glissement 5 est distordue en forme de cuvette quand elle fonctionne à des températures dépassant la température du meulage du fait que la bague de glissement 4 se dilate et que la force de compression exercée sur l'anneau d'étanchéité 5 est réduite. L'expres- sion "en forme de cuvette" signifie à cet égard que la surface de glissement de la bague de glissement forme une surface en cuvette, ou en d'autres termes que la périphérie interne de la surface de glissement est plus profonde que sa périphérie externe. Les phénomènes et les mesures sus- mentionnés appartiennent tous à l'art antérieur. Les inconvénients mentionnés ci-dessus peuvent être éliminés au moyen de l'invention montrée à la figure 3. La figure 3 est une vue schématique du même détail que celui de la figure 2. A la figure 3, l'anneau d'étanchéité et la bague de glissement sont désignés par les mêmes références qu'à la figure 2. L'invention montrée à la fi- gure 3 est basée sur l'idée que toutes les forces agissant sur la bague de glissement 5 sont dirigées vers un centre de la masse K de la section transversale rectangulaire de la bague de glissement. Grâce à cet agencement, aucune distorsion défavorable de la surface de glissement de la bague de glissement n'apparaît. La force de support radiale FK de l'ajustement serré par retrait est dirigé ainsi d'une manière connue en soi de façon à agir sur la surface péri- phérique de la bague de glissement au moyen d'une nervure 8 prévue sur une contre-surface périphérique 7 dirigée axialement de l'anneau d'étanchéité 4. La nervure 8 est constituée de manière que son bord 9, qui est situé à une plus grande distance quand on le regarde depuis la surface de glissement, soit disposée dans le plan médian diamétral de la bague de glissement, ce plan passant par le centre de la masse K. Grâce à cet agencement, la force de support radiale est amenée à agir par le centre de la masse K, car le contact entre l'anneau d'étanchéité 4 et la bague de glissement après refroidissement de l'anneau d'étanchéité 4 est réalisé par l'intermédiaire dudit bord 9 en particu- lier, comme indiqué par exemple dans le brevet US 4 261581. Selon l'invention, la force axiale FL créée par les déformations de l'anneau d'étanchéité 4 est également dirigée en totalité de façon à agir sur le centre de la masse K de la section transversale de la bague de glis- sement 5. Ceci est réalisé dans la pratique de manière que la force de support axiale FL soit dirigée vers la bague de glissement 5 au moyen d'une nervure 11 prévue sur une contre-surface radiale 10 de l'anneau d'étanchéité 4. La nervure 11 est ainsi fixée de manière qu'un bord radialement à l'extérieur 12 de celle-ci soit disposé sur une surface cylindrique dirigée axialement et passant par le centre de la masse K. Grâce à cet agencement, la force de support axiale FL est amenée à agir par le centre de la masse K, car le contact entre l'anneau d'étanchéité 4 et la bague de glissement 5 est réalisé après refroidis- sement par l'intermédiaire du bord 12 de la nervure 11. L'invention permet de maintenir la bague de glis- sement 5 en place de manière qu'aucune distorsion de la surface de glissement n'apparaisse. En outre, la bague de glissement est supportée de façon très efficace aussi bien en direction axiale qu'en direction radiale, et c'est pour- quoi les bagues de glissement n'ont pas besoin d'être particulièrement rigide. Pour assurer un transfert de chaleur entre la bague de glissement 5 et l'anneau d'étanchéité 4, il est également avantageux que la surface de la nervure 8 qui porte contre la-surface périphérique de la bague de glis- sement soit comprise essentiellement entre 1/2 et 1/4 de la surface périphérique de la bague de glissement. De façon correspondante, la surface de la nervure 11 qui porte contre la surface frontale de la bague de glissement est comprise essentiellement entre 1/2 et 1/4 de la surface frontale de la bague de glissement. Cet agencement assure une surface de transfert de chaleur suffisante entre la bague de glissement 5 et l'anneau d'étanchéité 4. Le mode de réalisation décrit ci-dessus ne vise en aucune manière à limiter l'invention, mais l'invention peut être modifiée de diverses façons dans les limites du champ d'application des revendications. C'est ainsi qu'il est évident que toute substance appropriée d'étanchéité ou de collage capable de conserver son élasticité peut être insérée dans l'espace fermé constitué entre les nervures 8 et 9, si cela est considéré comme nécessaire. Il est également évident que les différents éléments ne doivent pas nécessairement être exactement semblables à ceux illus- trés sur les figures et que d'autres types d'éléments peu- vent être utilisés tout aussi bien. De plus, on peut faire passer un ou plusieurs canaux de refroidissement dans l'es- pace fermé compris entre les nervures 9 et 11, si cela est nécessaire. REVENDICATIONS 1. Joint à bagues de glissement pour rendre étan- che un arbre (2) tournant par rapport a une paroi, du type comprenant une partie de cage munie de connexions pour un liquide d'étanchéité, et des anneaux d'étanchéité (4) munis de bagues de glissement (5) et disposés l'un par rapport à l'autre de manière que les surfaces de glis- sement d'étanchéité des bagues de glissement (5) soient pressées l'une contre l'autre et tournent l'une par rapport à l'autre, chaque bague de glissement (5) étant fixée à son anneau d'étanchéité (4) au moyen d'un ajustement serré par retrait de manière que la force de compression radia- le (FK) de l'ajustement serré par retrait soit dirigée en totalité de façon à agir sur le centre de la masse (K) de l'aire en section transversale de la bague de glissement (5), caractérisé en ce que la force axiale (FK) créée par des déformations de la bague de glissement (4) est dirigée en totalité de façon à agir contre le centre de la masse (K) de la section transversale de la bague de glissement (5). 2. Joint à bagues de glissement selon la revendi- cation 1, dans lequel la force de compression radiale (FK) K de l'ajustement serré par retrait est dirigée vers une surface périphérique de la bague de glissement (5) au moyen d'une nervure (9) prévue sur une contre-surface périphé- rique (7) dirigée axialement de l'anneau d'étanchéité (4), caractérisé en ce que la force axiale (FL) créée par des déformations de l'anneau d'étanchéité (4) est dirigée vers la bague de glissement (5) au moyen d'une nervure (11) prévue sur une contre-surface radiale (10) de l'anneau d'étanchéité (4). 3. Joint à bagues de glissement selon la revendi- cation 2, dans lequel la dimension de la surface de l'an- neau d'étanchéité (4) qui porte sur la surface périphéri- que de la bague de glissement (5) est comprise essentiel- lement entre 1/2 et 1/4 de la surface périphérique de la bague de glissement (5), caractérisé en ce que la dimension de la surface de l'anneau d'étanchéité (4) qui porte contre la surface frontale de la bague de glissement (5) est comprise entre 1/2 et 1/4 de la surface frontale de la bague de glissement (5). 4. Joint à bagues de glissement selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que la cavité comprise entre ladite nervure (9) qui transmet la force de compression radiale (FK) et ladite nervure (11) qui transmet la force axiale (FL) est rempli d'une substance de collage ou d'étanchéité élastique. 5. Joint à bagues de glissement selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs canaux de refroidissement sont amenés dans la cavités comprise entre lesdites nervures (9) et (11).