Brevet FR2643968A1 — publié le 19900907

-1- Passage étanche d'un arbre à travers l'évidement d'un palier L'invention se rapporte au passage étanche d'un arbre s'étendant à travers une paroi de carter séparant des régions de pressions différentes à travers l'évidement d'un palier avec un coussinet d'étanchéité entourant l'arbre, ce coussinet étant monté dans une chambre annulaire disposée concentriquement par rapport à l'évidement du palier et entouré de moyens élastiques également montés dans la chambre annulaire qui le pressent radialement contre l'arbre. L'invention se rapporte en particulier au passage étanche de l'arbre de commande d'un robinet à boisseau sphérique. Des passages étanches d'arbres de ce type sont par exemple connus dans la robinetterie pour rendre étanches à la pression interne, dans la région de leur traversée du coussinet, des arbres de commande nécessaires à la transmission de mouvements de rotation ou de basculement aux organes internes d'arrêt de la robinetterie. Il est connu - sans que cela puisse être justifié par une publication - de prévoir dans le passage de l'arbre d'un robinet à boisseau sphérique, un Joint en matériau polymère, entourant l'arbre de commande, disposé à l'intérieur d'une chambre annulaire dans la région d'un évidement du palier lequel s'étend à travers une paroi du carter du robinet à boisseau sphérique et reprend l'arbre de commande d'une manière rotative mais axialement fixe; en guise de moyen élastique un 0-ring en caoutchouc ou en un autre matériau incompressible, pressé dans la chambre annulaire entoure à son tour le coussinet et le presse contre l'arbre de commande. - 2- Dans des passages d'arbres de commande de ce type, il s'est avéré que l'usure des coussinets d'étanchéité occasionnée par l'utilisation entratnait très rapidement l'apparition de fuites. Ceci résulte du fait que, compte tenu du caractère incompressible du matériau de l'O-ring, l'usure diminue petit à petit et de plus en plus l'adhérence du coussinet à l'arbre qui lui est adjoint. Dans ces conditions, cet agencement connu du passage de l'arbre de commande s'est avérée particulièrement insuffisant lorsque l'étanchéité devait être assurée en présence de très fortes pressions. Dans un autre agencement connu du passage de l'arbre, décrit dans DE-PS 1 908 074, un coussinet d'étanchéité avec un bord d'étanchéité interne coopérant avec l'arbre et un bord i5 d'étanchéité externe assurant l'étanchéité par rapport à un carter, est disposé à l'intérieur d'une chambre annulaire et entoure-l'arbre de commande. Le bord d'étanchéité externe est constitué par une bride radiale du coussinet d'étanchéité, pressée axialement contre un épaulement du carter du côté opposé à celui sur lequel s'exerce la pression, tandis que le bord d'étanchéité interne, assurant l'étanchéité vis-à-vis de l'arbre, du côté o est exercée la pression, est constitué par un segment du coussinet d'étanchéité, entourant l'arbre pratiquement sans interstice, dans la région de la bride radiale bloquée axialement avec l'épaulement du carter. Dans des passages d'arbre de ce type une pression apparaît naturellement dans les interstices annulaires existant, d'une part entre l'arbre et le coussinet d'étanchéité, d'autre part entre ce dernier et la chambre annulaire du carter le reprenant, pression qui diminue cependant avec la distance par rapport au côté o s'exerce la pression. Une étanchéité efficace ne sera obtenue qu'à condition que la zone d'étanchéité entre l'épaulement du carter et la bride radiale du coussinet d'étanchéité pressée contre l'épaulement se trouve à une distance plus grande du côté o -3- s'exerce la pression que celle existant entre l'arbre et le bord d'étanchéité interne actif du coussinet car c'est seulement dans ce cas que la surface d'application de pression externe du coussinet d'étanchéité prévaudra sur sa surface d'étanchéité interne et que l'adhérence du coussinet d'étanchéité sur l'arbre sera assurée. L'usure du coussinet d'étanchéité due au fonctionnement peut entraîner le fait que le bord d'étanchéité interne se trouve progressivement déplacé axialement par rapport au côté d'application de pression, l'effet d'étanchéité diminuant, en conséquence, de plus en plus pour finalement disparaître presque complètement lorsque le bord d'étanchéité interne s'éloigne de la surface d'application de pression pour se déplacer au-delà de la zone d'étanchéité externe. En considération de cette insuffisance de l'état de la technique, l'invention s'est fixé pour but de créer un passage étanche d'arbre garantissant une étanchéité efficace même après une longue durée de fonctionnement, cette efficacité persistant de manière largement indépendante de l'usure normale du coussinet d'étanchéité, résultant de l'utilisation. Partant de l'état de la technique décrit plus haut, le but de l'invention est atteint par le fait que, dans un passage étanche d'arbre avec un coussinet d'étanchéité entourant l'arbre, ce coussinet étant repris dans une chambre annulaire disposée concentriquement par rapport à l'évidement du palier et entouré de moyens élastiques également montés dans la chambre annulaire qui le pressent radialement contre l'arbre, lesdits moyens élastiques sont constitués par une rondelle élastique en graphite pur expansé bloquée radialement entre une paroi de chambre annulaire externe et le coussinet d'étanchéité, sous l'effet d'une force de précontrainte radiale. -4- L'usure du coussinet d'étanchéité due au fonctionnement rend nécessaire une augmentation du volume de l'espace recevant le moyen élastique à l'intérieur de la chambre annulaire. Des matériaux incompressibles n'étant pas susceptibles de s'adapter à une modification de volume, l'usure mentionnée plus haut conduit progressivement à la disparition de la précontrainte obtenue:.par la compression, dans le cas d'un 0-rir.g pressé dans la chambre annulaire, la force de pression initiale diminuant également petit à petit jusqu'à disparition complète. Des rondelles élastiques en graphite pur expansé sont en revanche compressibles de manière telle qu'elles soient en mesure de suivre une possible augmentation de volume de l'espace qui les regoit, résultant de l'usure, la tension radiale de la rondelle élastique entre le coussinet d'étanchéité et une paroi externe de la chambre annulaire résultant d'une force axiale de précontrainte, restant pratiquement inchangée. Dans ces conditions, l'étanchéification selon l'invention reste efficace pratiquement sans changement, indépendamment de l'apparition d'une usure. Le passage de l'arbre selon l'invention avec une rondelle élastique en graphite pur expansé en guise de moyen élastique convient tout particulièrement à des passages étanches d'arbre dans le domaine des hautes et très hautes pressions. L'étanchéité sera dans ce cas d'autant plus efficace et durable que, plus les pressions seront élevées plus l'imperméabilité de la garniture en graphite pur sera grande. De telles rondelles élastiques sont fabriquées par enroulement en spirale de fines bandes de graphite pur expansé sur un mandrin correspondant au diamètre interne de la rondelle respectivement souhaité et compression axiale de la spirale. La gradation de la compression axiale, laquelle s'accompagne d'une diminution correspondante du volume de départ de la spirale permet une adaptation sans problèmes aux domaines de pression respectifs, selon le cas d'utilisation prévu. Dans des rondelles élastiques en graphite pur expansé destinées à des pressions extrêmement élevées, il est tout à fait possible d'envisager un écrasement de la spirale Jusqu'à moitié de son volume initial. Selon un mode de réalisation de l'invention, la rondelle élastique en graphite pur expansé peut reposer directement contre la paroi externe de la chambre annulaire et assurer l'étanchéité de manière statique, tandis que la compression du coussinet d'étanchéité contre l'arbre assure une étanchéité statique et dynamique. Une alternative à ce mode de réalisation prévoit qu'un profilé d'étanchéité, ouvert à une partie frontale et dont chacune des ailes est respectivement pressée contre l'arbre et la paroi externe de la chambre annulaire par la rondelle élastique en graphite pur expansé est utilisé comme coussinet d'étanchéité, permettant d'obtenir une étanchéité statique et dynamique sur l'arbre et sur la paroi de la chambre annulaire. Outre les avantages de l'invention exposés ci-dessus, les rondelles élastiques en graphite pur expansé se distinguent également par leur haute résistance aux substances corrosives. Quelques modes de réalisation de l'invention seront expliqués ci-dessous au moyen des figures annexées. En vue schématique en coupe: - la figure 1 représente le passage d'un arbre de commande d'un robinet à boisseau sphérique, lequel n'est pas plus amplement représenté ici, avec un coussinet d'étanchéité à profil en L, -6- - la figure 2 représente le passage d'un arbre de commande avec une réalisation du coussinet d'étanchéité et de la rondelle élastique différente de celle représentée sur la figure 1, - la figure 3 représente un exemple de réalisation avec un coussinet d'étanchéité sous forme d'un profilé en U ouvert sur une partie frontale et - la figure 4 représente un autre exemple de réalisation avec un coussinet d'étanchéité sous forme d'un profilé ouvert radialement et vers l'extérieur. Dans l'agencement du passage d'un arbre de commande 10 représenté, un arbre de commande 13, monté de manière - rotative s'étend dans le carter 12 simplement esquissé d'un robinet à boisseau sphérique, de l'intérieur du carter vers l'extérieur. Cet arbre de commande, servant à l'actionnement d'un organe d'arrêt - qui n'est pas plus amplement représenté - du robinet à boisseau sphérique entre des positions de fermeture et d'ouverture, est monté rotatif, d'une manière qui n'est également pas plus amplement montrée car ne présentant pas ici d'intérêt dans le détail, mais axialement fixe et se trouve couplé par des moyens appropriés avec l'organe d'arrêt mentionné plus haut, d'une manière résistante à la rotation. L'arbre de commande 13 est guidé au moyen d'un coussinet de palier 14, simplement esquissé sur la figure, qui est monté dans l'évidement du palier 11. Sur le c8té du coussinet de palier opposé à l'intérieur de carter 15, une chambre annulaire 16, fermée du c8té tourné vers l'intérieur de carter 15 par un épaulement 17 s'étendant radialement, est vissée dans le carter 12 du robinet à boisseau sphérique, coaxialement par rapport au coussinet 14. Un dispositif d'étanchéité désigné dans son ensemble par 18 est monté dans cette chambre annulaire. -7- Ce dispositif d'étanchéité comprend un coussinet d'étanchéité 20 entourant étroitement l'arbre de commande 13 coaxialement par rapport au coussinet de palier avec une collerette radiale 21, s'étendant vers. l'extérieur, du c8té opposé à l'intérieur de carter 15, Jusqu'à la limite extérieure du vissage dans le carter formant la chambre annulaire 16. Vers l'extérieur, le coussinet d'étanchéité 20 est entouré d'une rondelle élastique 22 en graphite pur expansé montée dans la chambre annulaire et s'étendant entre l'épaulement 17 délimitant la chambre annulaire de son côté tourné vers l'intérieur de carter et la collerette radiale 21 du coussinet d'étanchéité 20. Un anneau de serrage 24 est disposé coaxialement par rapport au coussinet d'étanchéité 20 sur le côté de ce dernier opposé à l'intérieur de carter 15, cet anneau s'ajustant à la collerette radiale 21 du coussinet 20 sous une précontrainte axiale, bloquant ainsi la rondelle élastique en graphite pur expansé entre la collerette radiale 21 sus-mentionnée et l'épaulement 17 de la chambre annulaire 16 axialement éloigné de la collerette 21. Il en résulte que le coussinet d'étanchéité 20 est pressé radialement contre l'arbre de commande et qu'une étanchéification statique et dynamique est obtenue dans la région de l'arbre, ce qui est esquissé en 25. Une étanchéification statique, esquissée en 26 et 27 sur la figure 1, est obtenue d'une part entre le coussinet d'étanchéité 20 enserrant étroitement l'arbre de commande 13 et la rondelle élastique 22, d'autre part entre cette dernière et la paroi de chambre annulaire délimitant radialement à l'extérieur la chambre annulaire 16, à la suite du blocage radial de la rondelle élastique 22 résultant de l'application d'une force de pression axiale. Un couvercle de palier 30 simplement esquissé est posé sur l'extérieur du carter 12, dans la région de l'évidement de palier et relié au carter d'une manière solide mais amovible, non représentée ici, par exemple par vissage. Le -8- couvercle de palier 30 présente un alésage de passage aligné avec l'évidement de palier 11 du carter et un filetage 31 dans lequel est montée une partie de collerette 32 de la rondelle de pression 24 laquelle agit sur la rondelle élastique 22 sur le dessus de la collerette radiale 21 du coussinet d'étanchéité 20, cette partie de collerette s'étendant vers l'extérieur avec un jeu axial par rapport à la surface de contact 33 du carter tournée vers le couvercle de palier. Sur la figure 2 les pièces déjà représentées sur la figure 1 sont désignées par les mêmes références que sur cette dernière. Dans ce mode de réalisation le dispositif d'étanchéité se distingue du mode de réalisation selon la figure 1 en ce que le coussinet d'étanchéité 20' de même que la rondelle élastique 22' sont, cette fois, réalisés en graphite pur expansé. Dans le mode de réalisation selon la figure 2 un retour 34 s'étendant concentriquement autour du segment de coussinet d'étanchéité entourant l'arbre de commande 13 et en direction de l'intérieur de carter 15 est disposé à l'extérieur, contre la collerette radiale 21'. Dans la région du retour 34, la rondelle élastique 22' montée dans la chambre annulaire 16 est pourvue d'une rainure annulaire circonférentielle adaptée à celui-ci. D'un point de vue fonctionnel, le mode de réalisation selon la figure 2 produit les mêmes effets que le mode de réalisation selon la figure 1. L'application d'une force de précontrainte axiale sur la rondelle élastique 22', entraîne une précontrainte radiale et procure en 25 une étanchéité statique et dynamique entre la coussinet d'étanchéité 20' et l'arbre de commande 13, tandis qu'une étanchéité statique est obtenue en 27 entre le carter 12 et la rondelle élastique 22' ainsi qu'entre cette dernière et le coussinet d'étanchéité en 26. Dans le mode de réalisation selon la figure 3, le coussinet d'étanchéité 40 du dispositif d'étanchéité est réalisé sous forme de profilé en U ouvert frontalement vers l'épaulement 17 du carter, profilé dans lequel est montée la rondelle élastique 42 en graphite pur. Il résulte de la tension radiale obtenue par l'application d'une force axiale sur la rondelle élastique une étanchéification statique et dynamique dans la région de l'arbre 13 et du carter 12, en 43, 44. Le mode de réalisation selon la figure 4 emploie également un coussinet d'étanchéité 40' sous forme d'un profilé en U lequelpar sa branchtoure ne et reprend la ronbre dell commande 13 pélastique 42' en ga brancphite nfrieurepur expansé entred la rondelle s'étendant radialement, à distance l'une de l'autre. Tout comme dans les modes de réalisation selon les figures 1 et 2, la rondelle élastique est bloquée radialement entre le carter 12 et la section du coussinet d'étanchéité 40 entourant l'arbre de commande 13 à la suite de l'application d'une force radiale ce qui permet la réalisation d'une étanchéification statique entre le carter et la rondelle élastique en 44' et d'une étanchéification statique et dynamique entre le coussinet d'étanchéité et l'arbre de commande en 43'. -10- R E V E N D I C A T I 0 NS- 1. Passage étanche à travers l'évidement d'un palier d'un arbre s'étendant à travers une paroi de carter séparant des régions de pressions différentes avec un coussinet d'étanchéité entourant l'arbre, ce coussinet étant monté dans une chambre annulaire disposée concentriquement par rapport à l'évidement du palier et entouré de moyens élastiques également montés dans la chambre annulaire qui le pressent radialement contre l'arbre, en particulier, passage étanche d'un arbre de commande dans un robinet à boisseau sphérique, caractérisé en ce qu'une rondelle élastique (22, 22'; 42, 42') en graphite pur expansé bloquée entre une paroi de carter délimitant radialement vers l'extérieur la chambre annulaire (16) et le coussinet d'étanchéité (20, 20'; 40, 40') sous l'action d'une force de précontrainte axiale, tient lieu de moyen élastique. 2. Passage d'arbre selon la revendication 1., caractérisé en ce que la rondelle élastique (22, 22', 42') en graphite pur expansé repose immédiatement contre la paroi de carter délimitant radialement la chambre annulaire (16) et y assure une étanchéification statique, tandis que l'écrasement radial du coussinet d'étanchéité (20, 20', 40, 40') contre l'arbre (13) procure une étanchéification statique et dynamique. 3. Passage d'arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un profilé d'étanchéité ouvert à une partie frontale et dont chaque aile est pressée par la rondelle élastique (42) en graphite pur expansé respectivement contre l'arbre (13) et la paroi externe de la chambre annulaire, tient lieu de coussinet d'étanchéité (40), assurant une étanchéification statique et dynamique.