Brevet FR2678040A1 — publié le 19921224

DISPOSITIF D'ETANCHEITE La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour l'intervalle entre une surface à étancher d'un corps tournant autour de son axe et un support d'étanchéité espacé de ladite surface, compor- tant une bague d'étanchéité en matière polymère, qui est entourée dans une zone d'une partie de retenue par le support d'étanchéité et qui est reliée de façon non tournante à celui-ci, en étant en contact avec la surface par une partie en forme de lèvre appliquée élastiquement contre celle-ci, la bague d'étanchéité comportant au moins une partie annulaire gonflable au moyen d'un agent compressible et pouvant être appli- quée contre la surface précitée. Un dispositif d'étanchéité de ce genre est connu d'après le brevet des Etats Unis N O 2 863 681. Il est utilisable par exemple dans une zone d'étanchéité périphérique d'un corps creux tubulaire et il se compose d'un support d'étanchéité disposé dans l'essentiel avec espacement radial et concentriquement à la surface à étancher et dans lequel est fixée une garniture d'é- tanchéité en forme de tuyau souple gonflable Le support d'étanchéité a une section sensiblement de forme circu- laire et il est évidé en direction de l'arbre à étancher. Lors d'une sollicitation en pression de la garniture d'étanchéité gonflable, celle-ci s'applique sous l'effet d'une précontrainte radiale contre la surface intérieure du support d'étanchéité et entre en contact avec l'arbre à étancher par une lèvre d'étanchéité située le long de la surface d'étanchéité A cet égard, il faut veiller à ce que la garniture d'étanchéité en forme de tuyau souple soit soumise, dans la zone de l'évidement du support d'étanchéité, à une grande sollicitation mécani- que et pour cette raison, les caractéristiques d'utili- sation sont seulement peu satisfaisantes, notamment pendant une longue durée de service Egalement, le degré d'influence sur la grandeur de la force d'applica- tion de la garniture d'étanchéité contre l'arbre à étancher est limité à cause de l'agencement de la lèvre d'étanchéité. En outre, il est connu des dispositifs d'étan- chéité, qui sont utilisés par exemple dans des zones d'étanchéité frontale de couronnes dentées et de corps rotatifs à lubrifier ainsi que dans des zones de revête- ment sur des tubes rotatifs comme des broyeurs à boulets. Ces dispositifs d'étanchéité font intervenir l'utilisa- tion d'une bague d'étanchéité en matière polymère, fixée de façon irréversible sur le support d'étanchéité et qui est en contact avec la pièce tournante par une surface frontale s'étendant perpendiculairement à l'axe ou bien par une surface de contact orientée parallèlement à l'axe L'effet d'étanchéité ainsi obtenu est peu satisfaisant A cet égard, il est notamment significatif que, dans le cas de grands diamètres de corps rotatifs et de couronnes dentées, par exemple supérieurs à 5 mètres, il n'est généralement pas possible ni de garantir la symétrie de rotation des surfaces d'étanchéité qui est nécessaire pour obtenir un bon résultat d'étanchéité, ni de compenser suffisamment un mouvement alternatif, parallèle à l'axe, de la surface d'étanchéité pendant le mouvement de rotation. L'invention a pour objet de perfectionner les dispositifs d'étanchéité connus de telle sorte qu'on obtienne de meilleures caractéristiques d'utilisa- tion pendant une longue durée de service et qu'une amélioration de l'effet d'étanchéité soit également assurée pour de grands diamètres des surfaces à étancher et également lorsqu'il se produit en fonction des condi- tions de marche des mouvements alternatifs et des mouve- ments louvoyants de la pièce à étancher. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion avec un dispositif d'étanchéité du type défini ci-dessus par le fait que la partie annulaire de la bague d'étanchéité est disposée au moins partiellement à l'extérieur de la zone de la partie de retenue qui est entourée par le support d'étanchéité A cet égard, il est avantageux que la partie annulaire de la bague d'étanchéité et le support d'étanchéité soient disposés relativement de telle sorte qu'une usure dans une zone de la partie de retenue de la bague d'étanchéité soit sensiblement réduite, ce qui permet d'obtenir de meil- leures performances d'utilisation pendant une longue durée de service La sollicitation mécanique dans cette zone est sensiblement réduite dans le cas d'une variation fréquente de la pression dans la partie annulaire et dans le cas de décalages excentriques de la pièce à étancher par rapport à la partie à lèvres de la bague d'étanchéité, de sorte qu'il est possible d'utiliser un tel dispositif d'étanchéité également pour assurer une étanchéité correcte de surfaces de grands diamètres, de surfaces avec balourds pendant l'utilisation conforme aux prescriptions, ou bien de surfaces animées de mouve- ments louvoyants. A cet effet, il est nécessaire que l'agent soit compressible et soit constitué par exemple par de l'air comprimé. La bague d'étanchéité peut être fabriquée d'une manière particulièrement simple lorsque sa partie de retenue et sa partie à lèvres sont formées d'une seule pièce en un matériau élastique d'étanchéité, par exemple en caoutchouc En plus d'une adhérence permanente particulièrement bonne, on obtient ainsi l'avantage d'éviter un assemblage ultérieur de pièces fabriquées séparément. Dans le cadre de la présente invention, il est prévu que la partie à lèvres soit constituée par au moins deux lèvres d'étanchéité, qui délimitent avec la surface à étancher une cavité qui peut être remplie d'une graisse d'obturation Cet agencement permet d'obte- nir d'une part une étanchéité correcte du volume à étancher par rapport à l'environnement et d'autre part une très faible usure des lèvres d'étanchéité formant la partie à lèvres, ce qui se traduit par une autre augmentation de la durée de service. La partie à lèvres peut, dans le cas le plus simple, comporter seulement une lèvre d'étanchéité ayant un profil extérieur qui s'étend le cas échéant parallèle- ment à l'axe ou bien qui fait avec l'axe un petit angle inférieur à 150 On devrait éviter un angle négatif car il pourrait en résulter un refoulement axial de la lèvre d'étanchéité dans son matériau, ce qui aurait pour conséquence une impossibilité de compensation avec le degré nécesaire de mouvements relatifs de la surface frontale. La bague d'étanchéité peut être pourvue, dans une zone de sa partie de retenue, au moins partiellement d'un renforcement qui diminue les phénomènes de relaxation de la bague d'étanchéité pendant l'utilisation conforme aux prescriptions. Conformément à un agencement avantageux, la partie annulaire peut être disposée seulement à l'exté- rieur de la zone entourée par le support d'étanchéité et avoir une section ovale La dimension maximale de la section est alors orientée sensiblement parallèlement à la surface à étancher de sorte que, lors d'une sollici- tation en pression de la partie annulaire, il est possi- ble d'obtenir une déformation particulièrement facile et précise de la partie annulaire en direction de la surface à étancher La partie annulaire comporte une ouverture par laquelle l'agent de gonflage peut être introduit A l'intérieur de la partie annulaire, il est possible, par exemple et conformément à un autre agencement, de disposer un corps élastique du genre ressort, qui est précontraint seulement dans la direction d'application de la bague d'étanchéité. Selon une autre particularité, il est prévu que la partie annulaire soit disposée au moins partielle- ment dans la partie de retenue et que la partie de retenue soit reçue, au moins avec possibilité de translation partielle, dans une rainure inflexible de guidage du support d'étanchéité, cette rainure étant orientée sensi- blement parallèlement à l'axe et entourant concentrique- ment celui-ci. La partie à lèvres peut ainsi suivre des mouve- ments alternatifs et parallèles à l'axe de la surface frontale ou de zones partielles de la surface frontale pendant l'utilisation conforme aux prescriptions, sans qu'il se produise une modification sensible de la dispo- sition relative du profil de la lèvre d'étanchéité par rapport au profil des surfaces à étancher Cela favorise également l'obtention d'un bon résultatd'étanchéité. La partie à lèvres peut être appliquée souple- ment contre les surfaces à étancher sous l'effet de l'élasticité propre de la partie annulaire Pour garantir une application correcte de la partie à lèvres également lorsqu'il se produit de grands mouvements relatifs de la surface dans une direction axiale, il s'est avéré avantageux de prévoir pour l'application des moyens secondaires, par exemple des moyens de type mécanique, de type hydraulique ou avantageusement de type pneumatique. Dans le cas d'une application par des moyens secondaires, qui font intervenir l'utilisation d'un agent fluide et sollicité en pression, il s'est avéré avantageux que les moyens secondaires comportent une partie annulaire entourée par la partie de retenue et pouvant être sollicitée en pression, la partie de retenue étant alors agencée de façon à être dilatable parallèle- ment à l'axe et à l'intérieur de l'étendue axiale de la partie annulaire En évitant des pertes dues à des fuites, on obtient la possibilité, avec un agencement correspondant, de régler l'application des lèvres d'étan- chéité contre la surface, par l'intermédiaire de la pression de l'agent fluide introduit dans la partie annulaire, intentionnellement à des valeurs déterminées et d'obtenir ainsi des résultats optimaux aussi bien en ce qui concerne la durée de service que l'efficacité d'étanchéité. Une application des lèvres d'étanchéité sur tout le pourtour de la surface peut être garantie lorsque la partie annulaire entoure l'axe sur tout le pourtour avec une concentricité mutuelle Il est également possible de compenser ainsi efficacement des écarts de la surface par rapport à la symétrie de rotation. La surface peut présenter un élargissement de diamètre en forme de cône creux en direction du support d'étanchéité et la partie à lèvres peut comporter au moins une lèvre d'étanchéité dont le profil fait extérieu- rement avec l'axe un angle plus petit que la surface à étancher. Grâce à l'application parallèle à l'axe de la lèvre d'étanchéité, entourant concentriquement l'axe, contre la surface en forme de cône creux qui peut être constituée par une surface frontale, il se produit dans la lèvre d'étanchéité une force orientée radialement vers l'intérieur et qui est répartie uniformément dans une direction circonférentielle L'application axiale de la lèvre d'étanchéité contre la surface peut être ainsi réglée, en évitant une sollicitation locale excessi- ve du matériau polymère formant la lèvre d'étanchéité, à unevaleur favorisant l'obtention d'un résultat optimal d'étanchéité, pour une sollicitation spécifique particu- lièrement faible du matériau On est ainsi assuré d'obte- nir une bonne conservation de forme de la lèvre d'étan- chéité pendant une longue période d'emploi Le résultat d'étanchéité obtenu est ainsi sensiblement amélioré. La surface doit avantageusement avoir un profil qui fasse avec l'axe du dispositif d'étanchéité un angle de 30 à 600, de préférence de 40 à 50 Notamment à l'intérieur de la plage citée en dernier, on obtient, en plus d'un bon guidage de la lèvre d'étanchéité, une réduction au minimum de l'usure résultant du frottement. Une proportionnalité particulièrement bonne entre la pression de l'agent fluide introduit dans la partie annulaire et la force axiale d'application des lèvres d'étanchéité contre la surface est obtenue lorsque la partie de retenue est agencée radialement à l'intérieur et à l'extérieur de la partie annulaire à la façon de deux soufflets disposés l'un dans l'autre En plus de la flexibilité améliorée par une réduction de l'épaisseur de paroi, on obtient une diminution des pertes par frot- tement essentiellement grâce à la réduction de la grandeur de la surface mutuelle de contact entre les zones corres- pondantes de la partie de retenue et de la rainure de guidage. La partie annulaire peut être produite en utilisant un procédé avec noyau fusible Une fabrication peu coûteuse est également possible lorsque la partie de retenue est pourvue, du côté de la chambre qui est opposé à la partie à lèvres, d'une séparation de son profil mise en place lors de sa fabrication et s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe, et lorsque les bran- ches du profil situées l'une en regard de l'autre dans la zone de séparation sont appliquées de façon étanche l'une contre l'autre pendant l'utilisation conforme aux prescriptions L'utilisation d'un noyau fusible devient superflue lors de la fabrication d'une telle bague d'étanchéité. Avec un tel agencement, les branches peuvent, à la suite de la fabrication de la bague d'étanchéité, être liées entre elles dans la zone de séparation par collage ou par soudage de façon à exclure l'apparition de défauts d'étanchéité et à simplifier le montage. Une sécurité de fonctionnement particulièrement bonne est obtenue lorsque l'extrémité de la partie de retenue qui est axialement opposée à la partie à lèvres est fixée dans le guide de façon irréversible de chaque côté de la partie annulaire A cet effet, le support d'étanchéité peut être traversé, à des intervalles cir- conférentiels uniformes, par des ouvertures orientées perpendiculairement à l'axe, auquel cas il est prévu des auxiliaires mécaniques, s'accrochant dans les ouver- tures, pour fixer de façon irréversible la partie de retenue dans la rainure de guidage, par exemple des vis de retenue et/ou des douilles d'espacement Lorsqu'il s'est produit une usure, la bague d'étanchéité peut, avec un tel agencement, être remplacée sans difficulté par une bague neuve. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 repésente un premier exemple de réalisation du dispositif d'étanchéité conforme à l'invention, et les Figures 2 et 3 représentent deux autres exemples de réalisation de ce dispositif d'étanchéité. Sur la Figure l est représenté en demi-coupe l'intervalle d'étanchéité entre la surface frontale 1 d'un corps creux 2 tournant autour de son axe 2 1 et un support d'étanchéité 3 espacé axialement de cette surface, ce support d'étanchéité comportant une bague d'étanchéité 4 en matière polymère, qui est fixée de façon non tournante sur le support d'étanchéité 3 au moyen d'une partie de retenue 4 1 et qui est en contact avec la surface frontale 1 par une partie à lèvres 4 2 appliquée élastiquement contre cette surface La surface frontale 1 est pourvue d'un profil de cône creux et elle a un diamètre élargi en direction du support d'étan- chéité 3 Son profil fait un angle A de 45 avec l'axe 2 1 du dispositif d'étanchéité. La partie à lèvres est en contact par une lèvre d'étanchéité 4 3 avec la surface frontale 1 sur le côté dirigé radialement vers l'intérieur Cette lèvre a extérieurement un profil qui fait un angle B d'environ 120 avec l'axe 2 1. Radialement à l'extérieur de la lèvre d'étan- chéité 4 3, il est prévu une seule lèvre additionnelle 4.11, qui s'applique au contact de la surface frontale 1 Le volume intermédiaire existant entre la lèvre addi- tionnelle 4 11 et la lèvre d'étanchéité 4 3 est rempli avec une graisse lubrifiante et à action d'étanchéité. Pour pouvoir compléter cette réserve de graisse en cas de besoin, il est prévu un trou 4 12 qui traverse en plusieurs endroits la partie à lèvres 4 2. La partie à lèvres 4 2 forme une seule et même pièce avec la partie de retenue 4 1 de la bague d'étanchéité 4 constituée d'un matériau ayant l'élasti- cité du caoutchouc La partie de retenue 4 1 est reçue dans une rainure de guidage 3 1 du support d'étanchéité 3 et est pourvue d'une partie annulaire 4 4, entourant concentriquement l'axe 2 1 et dans laquelle peut être introduit, par l'intermédiaire d'un trou 4 13, un agent fluide pouvant être sollicité en pression Radialement à l'intérieur et à l'extérieur de la partie annulaire 4 4, la partie de retenue 4 1 est agencée sous la forme de deux soufflets 4 6, 4 5 disposés l'un dans l'autre. Elle peut ainsi se dilater d'une manière particulièrement bonne dans une direction parallèle à l'axe 2 1 et des mouvements radiaux d'écartement sont empêchés par les parties du support d'étanchéité 3 qui délimitent la rainure de guidage 3 1 radialement à l'intérieur et à l'extérieur Ces parties sont arrondies dans la zone de leurs limites de telle sorte que, lors de décalages de la bague d'étanchéité 4, on évite avantageusement des dommages dans les zones indiquées. La partie de retenue 4 1 est pourvue, sur le côté de la partie annulaire 4 4 qui est opposé à la partie à lèvres 4 2, d'une séparation 4 7 de son profil, formée lors de sa fabrication et s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe, les branches 4 8, 4.9 du profil, qui sont placées l'une en regard de l'autre dans la zone de la séparation, étant collées l'une avec l'autre de façon étanche pendant l'utilisation conforme aux prescriptions Les deux branches sont toutes deux traversées par des trous 4 10, répartis uniformément dans une direction circonférentielle, se rejoignant mutuellement et qui se prolongent dans le support d'étan- chéité 3 en entourant des organes auxiliaires 5, qui sont constitués par des vis de fixation et des douilles d'espacement L'extrémité de la partie de retenue 4 1 qui est opposée axialement à la partie à lèvres est ainsi maintenue de façon irréversible dans le guide 3.1 du support d'étanchéité 3 de chaque côté de la partie annulaire 4 4 De cette façon, pendant une utilisation conforme aux prescriptions, elle ne peut ni tourner par rapport au support d'étanchéité, ni s'échapper de la rainure de guidage 3 1. Pour la production de l'application, nécessaire pour l'obtention d'un bon résultat d'étanchéité, de la partie à lèvres 4 2 contre la surface frontale 1, il on utilise dans le dispositif d'étanchéité représenté un agent fluide sollicité en pression, par exemple de l'air comprimé, qui est introduit par l'intermédiaire d'un trou 4 13 dans la partie annulaire 4 4 La partie annulaire 4 4 entoure l'axe 2 1 concentriquement sur toute la périphérie On obtient ainsi dans une direction circonférentielle une application complètement correcte de la partie à lèvres 4 2 contre la surface frontale 1 Des écarts relatifs de symétrie de rotation de la surface frontale 1 et du support d'étanchéité 3 seront ainsi automatiquement compensés. Sur les Figures 2 et 3 sont représentés deux exemples de réalisation o la bague d'étanchéité a une autre forme que sur la Figure 1 La fonction du dispositif d'étanchéité est sensiblement analogue à la fonction décrite en référence à la Figure 1 La partie annulaire 4.4 est disposée, sur les Figures 2 et 3, complètement à l'extérieur du support d'étanchéité 3 La partie de retenue 4 1 est agencée sans évidements axiaux et elle est maintenue dans le support d'étanchéité 3 Le support d'étanchéité 3 est arrondi dans la zone de ses limites au moins sur les côtés dirigés vers la bague d'étanchéité de telle sorte que, en cas de décalages de la pièce à étancher et des mouvements de déviation de la bague d'étanchéité résultant de ces décalages, il ne se produise aucun dommage dans les zones précitées La partie à lèvres 4 2 se compose, comme sur la Figure 1, de deux lèvres d'étanchéité 4 3, 4 11, dont la lèvre d'étanchéité 4.11 est agencée comme une lèvre additionnelle La partie à lèvres 4 2 forme avec la surface à étancher une cavité qui est remplie de graisse La forme ovale de la partie annulaire permet une adaptation ultérieure particulièrement facile et précise de la pression d'appli- cation de la bague d'étanchéité 4 en direciton de la surface à étancher 1. Le dispositif d'étanchéité conforme à l'inven- tion est caractérisé par une robustesse particulièrement grande et une très bonne sécurité de fonctionnement. Il convient ainsi notamment pour des applications dans lesquelles il est essentiel d'obtenir les caractéristiques précitées en plus d'une bonne efficacité d'étanchéité. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'étanchéité pour l'intervalle entre une surface à étancher d'un corps tournant autour de son axe et un support d'étanchéité espacé de ladite surface, comportant une bague d'étanchéité en matière polymère, qui est entourée dans une zone d'une partie de retenue par le support d'étanchéité et qui est reliée de façon non tournante à celui-ci, en étant en contact avec la surface par une partie en forme de lèvre appli- quée élastiquement contre celle-ci, la bague d'étanchéité comportant au moins une partie annulaire gonflable au moyen d'un agent compressible et pouvant être appliquée contre la surface précitée, caractérisé en ce que la partie annulaire ( 4 4) de la bague d'étanchéité ( 4) est disposée au moins partiellement à l'extérieur de la zone de la partie de retenue ( 4 1) qui est entourée par le support d'étanchéité ( 3). 2 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie annulaire ( 4 4) peut être sollicitée en pression par un agent compressible. 3 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que la partie de retenue ( 4.1) et la partie à lèvres ( 4 2) sont fabriquées d'une seule pièce en un matériau élastique d'étanchéité. 4 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie à lèvres ( 4 2) est constituée par au moins deux lèvres d'étanchéité ( 4 3, 4.11), qui délimitent une cavité avec la surface à étan- cher ( 1). 5 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cavité peut être remplie d'une graisse d'obturation. 6 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que la bague d'étanchéité ( 4) est pourvue au moins partiellement d'un renforcement dans une zone de sa partie de retenue ( 4 1). 7 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que la partie annulaire ( 4.4) a une section ovale et est disposée seulement à l'extérieur de la zone fermée par le support d'étanchéi- té ( 3). 8 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que la partie annulaire ( 4.4) est disposée au moins partiellement dans la partie de retenue ( 4 1) et en ce que la partie de retenue ( 4 1) est reçue, au moins en partie avec possibilité de transla- tion, dans une rainure inflexible ( 3 1) de guidage du support d'étanchéité ( 3), qui est orientée sensiblement parallèlement à l'axe ( 2 1) et qui entoure concentrique- ment l'axe ( 2 1). 9 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce que la partie à lèvres ( 4.2) comporte au moins une lèvre d'étanchéité ( 4 3), dont le profil fait extérieurement avec l'axe ( 2 1) un angle plus petit (B) que la surface ( 1) à un diamètre élargi en direction du support d'étanchéité ( 3) en créant un profil de cône creux. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface ( 1) a un profil faisant avec l'axe ( 2 1) un angle (A) de 30 à 600. 11 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 8 à 10, caractérisé en ce que la partie de retenue ( 4.1) est agencée, radialement à l'intérieur et à l'exté- rieur de la partie annulaire ( 4 4) pouvant être sollicitée en pression, à la façon de deux soufflets ( 4 5, 4 6) disposés l'un dans l'autre. 12 Dispositif d'étanchéité selon une des revendica- tions 8 à 11, caractérisé en ce que la partie de retenue ( 4.1) est pourvue, sur le côté de la partie annulaire ( 4 4) qui est opposé à la partie à lèvres ( 4 2), d'une séparation ( 4 7) de son profil, formée lors de sa fabri- cation et s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe ( 2.1), et en ce que les branches ( 4 8, 4 9) du profil, qui sont situées l'une en regard de l'autre dans la zone de la séparation ( 4 7), entrent en contact étanche pendant l'utilisation conforme aux prescriptions. 13 Dispositif d'étanchéité selon la revendication 12, caractérisé en ce que les branches ( 4 8, 4 9) sont collées et soudées entre elles dans une zone de la sépa- ration ( 4 7). 14 Dispositif d'étanchéité selon une des revendi- cations 1 à 13, caractérisé en ce que la partie de retenue ( 4.1) traversée, dans le support d'étanchéité ( 3), par des trous ( 4 10) s'étendant à intervalles circonféren- tiels uniformes perpendiculairement à l'axe et en ce qu'il est prévu des auxiliaires mécaniques ( 5), engagés dans les trous ( 4 10), pour une fixation irréversible de la partie de retenue ( 4 1) dans la rainure de guidage ( 3.1). 15 Dispositif d'étanchéité selon la revendications 14, caractérisé en ce que les auxiliaires mécaniques ( 5) sont constitués par des vis de fixation et/ou des douilles d'espacement.