Brevet FR2596510A1 — publié le 19871002

Dispositif d'évaluation du glissement d'un joint d'étanchéité mécanique. La présente invention concerne un joint d'étanchéité mécanique, et elle porte plus particulièrement sur un procédé et un dispositif pour évaluer le glissement d'un joint d'étanchéité mécanique. On utilise souvent des joints d'étanchéité mécaniques dans le dispositif d'étanchéité d'arbre de machines tournantes, pour acheminer des fluides. Cependant, bien que des joints d'étanchéité mécaniques aient une probabilité de défaillance extrêmement élevée en comparaison avec d'autres élé10 ments mécaniques, on ne peut pas détecter l'apparition d'une condition anormale jusqu'à ce qu'une fuite se produise réellement. Il est difficile de prévoir une défaillance. Il a été proposé précédemment un procédé dans lequel un capteur de vibration de haute fréquence est fixé à l'orga15 ne de la machine tournante qui est soumis à un glissement (du côté fixe), et dans lequel la vibration de haute fréquence qui est produite par le glissement est détectée, pour détecter ainsi la condition anormale de l'organe soumis à un glissement (publication de brevet japonais n 55-98353). Cependant, dans 20 ce procédé, on détecte simplement l'apparition d'une condition anormale en comparant la valeur de l'amplitude du signal dé-. tecté. Ce procédé permet par exemple de distinguer entre l'état de contact et l'état d'absence de contact entre le disque d'équilibrage et la plaque d'équilibrage, entre le joint 25 labyrinthe et l'arbre, etc. Il est cependant impossible de contrôler et d'évaluer l'état de contact et de glissement constants, comme dans un joint d'étanchéité mécanique. Il a également été proposé un procédé dans lequel on mesure la vibration du joint d'étanchéité mécanique au moyen d'un capteur de vibration présentant une sensibilité dans une bande de fréquence relativement basse, ce qui permet d'évaluer le glissement du joint d'étanchéité mécanique. Cependant, dans ce procédé, le capteur de vibration est aisément influencé par le bruit des paliers, des sons produits par des fluides et d'autres sources, différentes du joint d'étanchéité mécanique, ce qui fait qu'on ne peut pas évaluer suffisamment le glissement du joint d'étanchéité mécanique. Un but de l'invention est de procurer un dispositif qui puisse évaluer aisément et de façon absolue le glissement d'un joint d'étanchéité mécanique dans le mode de fonctionnement et prévoir une défaillance du joint d'étanchéité mécanique. Les fréquences des bruits autres que celui du joint d'étanchéité mécanique, qui sont produits par les paliers, des 10 sons de fluides et d'autres sources, sont comprises dans la bande de fréquence basse inférieure à 100 kHz. Au contraire, les fréquences de la vibration qui est produite par le joint d'étanchéité mécanique sont comprises dans la bande de haute fréquence de 100 kHz à 2 MHz. L'invention utilise un capteur de vibration de haute fréquence ayant une sensibilité dans la bande étendue de 100 kHz à 2 MHz, ou bien un capteur de vibration de haute fréquence ayant une sensibilité dans une bande étroite et ayant une pointe de résonance dans la plage de 100 kHz à 2 MHz. On peut 20 donc réduire à des niveaux négligeables l'effet des bruits autres que le bruit qui est produit par le joint d'étanchéité mécanique. La vibration de haute fréquence que produit le joint d'étanchéité mécanique peut être détectée de façon absolue par un procédé extrêmement simple dans lequel ce capteur 25 de vibration de haute fréquence est fixé au carter de la machine. Le glissement du joint d'étanchéité mécanique remplit deux fonctions contradictoires: une fonction consiste à empêcher la fuite du fluide et l'autre fonction consiste à em30 pêcher l'abrasion de la matière soumise au glissement, par l'effet de lubrification du fluide. La durée de vie d'un joint d'étanchéité mécanique et l'apparition de défauts sont influencées dans une large mesure par la condition et la stabilité du film lubrifiant. La vibration de haute fréquence que produit le joint d'étanchéité mécanique résulte du contact en- tre solides des matières soumises au glissement, et elle est étroitement liée à la condition du film lubrifiant. Lorsque le film lubrifiant s'approche de l'état de friction à sec dans lequel le film lubrifiant est rompu, l'amplitude de vibration augmente et la fréquence de vibration devient également élevée. De plus, le glissement du joint d'étanchéité mécanique n'est pas toujours constant. Si la condition du film lubrifiant est instable, la fréquence de vibration que produit le joint d'étanchéité mécanique fluctue conformément à sa stabilité. Conformément à l'invention, on mesure de l'extérieur la vibration de fréquence extrêmement élevée que produit le joint d'étanchéité mécanique. On mesure de façon continue un ou plusieurs des paramètres comprenant la valeur efficace du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence, la valeur d'énergie et le nombre de fois que l'amplitude de ce signal de sortie dépasse une valeur de seuil prédéterminée pendant une unité de temps. On mesure en changeant la valeur de seuil le niveau de la valeur précitée et la largeur de la plage de fluctuation pendant l'unité de temps, et le nombre de 20 fois que l'amplitude du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence dépasse la valeur de seuil prédéterminée pendant l'unité de temps, pour ainsi obtenir et utiliser une distribution d'amplitude ou une distribution similaire. On peut donc évaluer de façon précise la condition et la stabili25 té du film lubrifiant précité. Un aspect de l'invention porte sur un dispositif destiné à évaluer le glissement d'un joint d'étanchéité mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur de vibration de haute fréquence, fixé à l'extérieur du joint d'étan30 chéité mécanique d'une machine tournant équipée de ce joint, pour mesurer un vibration de haute fréquence que le joint d'étanchéité mécanique produit pendant le fonctionnement; et des moyens de traitement arithmétiques qui sont destinés à recevoir le signal de sortie du capteur, à analyser la vibra35 tion de haute fréquence que produit le joint d'étanchéité mé- canique dans chaque état de ses surfaces de glissement, et à présenter en sortie des valeurs d'évaluation du glissement du joint d'étanchéité mécanique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple nom limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexes sur lesquels: La figure 1 est une coupe verticale d'un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est un schéma synoptique de la fonction de commande; Les figures 3 et 4 sont des graphiques qui représent la sensibilité d'un capteur de vibration de haute fréquence; La figure 5 est un organigramme explicatif du fonce 15 tionnement d'un dispositif conforme à l'invention; et Les figures 6 et 7 sont des graphiques d'évaluation montrant le glissement d'un joint d'étanchéité mécanique. On considèrera maintenant la figure 1 sur laquelle on voit une coupe verticale d'une pompe. Un arbre de pompe 3 accouplé à l'arbre d'un moteur 1 par un accouplement d'arbre 2 est supporté par un palier 5 logé dans un corps de pompe 4. L'étanchéité de l'arbre de pompe 3 est assurée par un joint d'étanchéité mécanique et un dispositif d'étanchéité d'arbre 6 tel qu'un joint d'étanchéité à huile (non représenté), et cet 25 arbre pénètre dans une chambre de pompe 7. Une roue de pompe 18 est fixée à une partie d'extrémité de l'arbre de pompe 3 dans la chambre de pompe 7. Le joint d'étanchéité mécanique est constitué par les éléments suivants: une douille suiveuse 11 qui est montée 30 de façon étanche dans le corps de pompe 4 au moyen d'un joint torique 9 et qui est mobile dans la direction axiale; une bague tournante 12, fixée à l'arbre de pompe 3, qui glisse sur la douille suiveuse 11; et un ressort 13 qui est monté entre la douille suiveuse 11 et le corps de pompe 4 et qui applique 35 la douille suiveuse 11 contre la bague tournante 12, dans la direction axiale. Ces éléments constituant le joint d'étanchéité mécanique sont pratiquement placés dans le fluide qui remplit à la fois les fonctions de refroidissement et de lubrification. Un élément d'arrêt de rotation peut également être pré5 vu pour empêcher la rotation de la douille suiveuse 11. Un capteur de vibration de haute fréquence 14 est fixé au corps de pompe 4. La figure 2 est un schéma synoptique. Le signal de vibration du joint d'étanchéité mécanique que détecte le cap10 teur 14 fixé au corps de pompe 4 est amplifié par un amplificateur 15 et il est appliqué à un micro-ordinateur 16 pour être mesuré et subir un traitement arithmétique. Le résultat du traitement arithmétique est émis vers un dispositif de visualisation de sortie 17 et visualisé. En ce qui concerne la réduction de l'effet des bruits qui sont produits par les paliers, des sons de fluides et d'autres sources différentes du joint d'étanchéité mécanique, on note que les fréquences de ces bruits sont comprises dans une bande de fréquences relativement basses, inférieures à 100 kHz. On peut ainsi utiliser l'un ou l'autre des types suivants de capteurs de vibration de haute fréquence 14: un capteur du type à large bande dont la sensibilité s'étend dans la bande large de 100 kHz à 2 MHz; ou un capteur de type résonnant dont la sensibilité s'étend dans une bande étroite et qui présente 25 un point de résonance dans la plage de fréquence de 100 kHz à 2 MHz. La figure 3 est un graphique montrant un exemple de la sensibilité en fonction de la fréquence pour le capteur 14 du type à large bande. La figure 4 est un graphique montrant 30 un exemple de la sensibilité en fonction de la fréquence pour le capteur 14 du type résonnant. Le micro-ordinateur 16 lit le signal de sortie de détection du capteur 14 et il le convertit en un signal numérique au moyen d'un convertisseur analogique/numérique rapide, 35 pour effectuer ainsi diverses sortes d'opérations arithmétiques et d'évaluations sur la base des signaux numériques. Il n'est pas obligatoire que les calculs des valeurs efficaces et autres soient effectués par le micro-ordinateur 16. On peut également utiliser un procéde dans lequel le signal de sortie du 5 capteur 14 est appliqué à un voltmètre mesurant la valeur efficace, ou un appareil similaire, dont le signal de sortie est lu par le micro-ordinateur 16. On décrira un exemple du fonctionnement du dispositif conforme à l'invention en se référant à l'organigramme de 10 la figure 5. Lorsqu'on fait fonctionner le moteur 1, l'arbre de pompe 3 tourne par l'intermédiaire de l'accouplement d'arbre 2, et le fluide est aspiré par la roue de pompe 18, et sa pression et sa vitesse sont augmentées. Le fluide est ensuite 15 évacué avec une pression et une vitesse élevées. La bague tournante 12 et la douille suiveuse 11 glissent mutuellement. La vibration naturelle que produit le glissement de la bague tournante 12 et de la douille suiveuse 11 est transmise dans le corps 4 sans être notablement attenuee, et elle est détec20 tee par le capteur 14. Lorsque le système commence à fonctionner, à l'étape 101, la vibration de haute fréquence que produisent les surfaces de glissement de la bague 12 et de la douille 11 est mesurée par le capteur 14 et amplifiée par l'amplificateur 15. A 25 l'étape 102, le signal amplifié est appliqué au micro-ordinateur 16 et est soumis à une conversion analogique/numérique, et l'un des paramètres comprenant la valeur efficace, la valeur d'énergie et le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie dépasse une valeur de seuil prédéterminee pendant une unité de temps, est déterminé et enregistré séquentiellement. A l'étape 103, on effectue un contrôle pour déterminer si la durée prédéterminee qui est nécessaire pour les calculs ci-dessus s'est écoulée. Les opérations des étapes 101 à 103 sont répétées jusqu'à ce que la durée prédéterminée précédente 35 se soit écoulée. Les donnees obtenues sont analysées de façon statistique à l'étape 104. A l'étape 105, les résultats de l'évaluation des données et du glissement du joint d'étanchéité mécanique sont émis vers le dispositif de visualisation de sortie 17 et sont visualisés, par exemple par un visuel, une im5 primante ou un traceur. Les opérations des étapes 101 à 105 sont ensuite répétées. La figure 6 montre un exemple d'une analyse des données de la vibration de haute fréquence, et un exemple d'un procédé d'évaluation des surfaces de glissement du joint d'étanchéité mécanique, sur la base des données analysées. La figure 6 montre la distribution de fréquence de données qui ont été mesurées de façon continue pendant une durée fixe. Sur la figure 6, l'axe des abscisses représente l'un des paramètres comprenant la valeur efficace de la vibration de haute fréquen15 ce, la valeur d'énergie et le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie dépasse une valeur de seuil prédéterminée pendant une unité de temps, et l'axe des ordonnées représente la fréquence des données. Sur le graphique, la ligne en tirets représente le cas dans lequel de bons films de lubrification sont 20 formés sur les surfaces de glissement, la ligne en trait continu représente le cas dans lequel les films de lubrification sont formés de façon instable, et la ligne en trait mixte désigne le cas dans lequel les films de lubrification sont formés de façon insuffisante et les surfaces de glissement sont pro25 ches de l'état de friction à sec. Les valeurs moyennes et les écarts dans chacun des cas ci-dessus sont respectivement désignés par a1 à a3 et S1 à S3 sur la figure 6. Les états des surfaces de glissement sont évalués de façon quantitative et visualisés sur la base de ces valeurs. La figure 7 montre un autre procédé d'évaluation. La figure 7 montre la distribution d'amplitude qu'on obtient en comptant le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence dépasse une valeur de seuil prédéterminée pendant une unité de temps, en changeant 35 la valeur de seuil. Sur la figure 7, t indique le cas dans lequel de bons films lubrifiants sont formés sur les surfaces de glissement, 0 indique le cas dans lequel les films lubrifiants sont formés de façon instable et * désigne le cas dans lequel les films lubrifiants sont formés de façon insuffisante et les surfaces de glissement sont proches de l'état de friction à sec. Ce procédé d'évaluation permet également de distinguer clairement les états des surfaces de glissement. Conformément à l'invention, un dispositif d'évaluation du glissement d'un joint d'étanchéité mécanique comprend: 10 un capteur de vibration de haute fréquence fixé à l'extérieur du joint d'étanchéité mecanique d'une machine tournante équipee du joint d'étanchéité mécanique, pour mesurer la vibration de haute fréquence que le joint d'étanchéité mécanique produit pendant son fonctionnement; et un micro-ordinateur destiné à 15 recevoir le signal de sortie du capteur, à analyser la vibration de haute fréquence que produit le joint d'étanchéité mécanique dans chaque état de ses surfaces de glissement, et à présenter en sortie les valeurs d'évaluation du glissement du joint d'étanchéité mécanique. On peut donc détecter les états 20 des surfaces de glissement du joint d'étanchéité mécanique, à tout moment depuis le début de l'utilisation du joint, jusqu'à ce qu'il ne puisse plus être utilisé, à cause de l'abrasion. Conformément à l'invention, du fait que le capteur est fixé à l'extérieur du corps de la machine, la vibration de 25 haute fréquence que produit le joint d'étanchéité mécanique peut être détectée de façon absolue par un procédé extrêmement simple. Conformément à l'invention, on mesure la vibration correspondant à des fréquences extrêmement élevées que produit 30 le joint d'étanchéité mécanique. On peut mesurer de façon continue un ou plusieurs des paramètres suivants: la valeur efficace du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence, la valeur d'énergie et le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie dépasse une valeur de seuil prédé35 terminée pendant une unité de temps. On peut mesurer en chan- geant la valeur de seuil le niveau des valeurs et la largeur de la plage de variation pendant l'unité de temps, et le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence dépasse la valeur de seuil pré5 déterminée pendant l'unité de temps, pour obtenir ainsi une distribution d'amplitude ou une distribution similaire. On utilise la distribution d'amplitude ou la distribution similaire résultante. Il en résulte qu'on peut évaluer la condition et la stabilité du film lubrifiant des surfaces de glis10 sement du joint d'étanchéité mécanique. L'invention permet d'évaluer le glissement du joint d'étanchéité mécanique pendant le fonctionnement, ce qui permet de prévoir une défaillance de ce joint. Il va de soi que de nombreuses modifications peu15 vent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à évaluer le glissement d'un joint d'étanchéité mécanique (9, 11, 12, 13), caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur de vibration de haute fréquence (14), fixé à l'extérieur du joint d'étanchéité mécanique d'une machine tournante équipée de ce joint, pour mesurer une vibration de haute fréquence que le joint d'étanchéité mécaniqueproduit pendant le fonctionnement; et des moyens de traitement arithmétiques (16) qui sont destinés à recevoir le signal 10 de sortie du capteur (14), à analyser la vibration de haute fréquence que produit le joint d'étanchéité mécanique dans chaque état de ses surfaces de glissement, et à présenter en sortie des valeurs d'évaluation du glissement du joint d'étanchéité mécanique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sensibilité du capteur de vibration de haute fréquence (14), en fonction de la fréquence, est choisie de façon aà être d'un type à large bandé, de 100 kHz à 2 MHz, ou'd'un type à bande étroite ayant un point de résonance dans une pla20 ge de 100 kHz à 2 MHz, et en ce que, en outre, la sensibilité au-dessous de 100 kHz est atténuée par l'utilisation d'un filtre passehaut si nécessaire, pour détecter ainsi essentiellement une vibration de haute fréquence au-dessus de 100 kHz. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendica25 tions 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement arithmétiques (16) calculent continuellement l'un des parametres suivants: la valeur efficace du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence (14), la valeur d'énergie et le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie dé30 passe une valeur de seuil prédéterminée pendant une unité de temps, et en ce que les moyens de traitement arithmétiques (16) traitent arithmétiquement le niveau de ladite valeur et la largeur de la plage de variation pendant l'unité de temps. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica35 tions 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement arithmétiques (16) comptent le nombre de fois que l'amplitude du signal de sortie du capteur de vibration de haute fréquence (14) dépasse une valeur de seuil prédéterminée pendant une unité de temps, en changeant la valeur de seuil, pour obtenir ainsi une distribution d'amplitude.