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RÉSUMÉ
Le thème abordé dans cet article est la déformation des faces d’une garniture mécanique sous l’effet du chargement thermomécanique apparaissant en fonctionnement. Des exemples incluant la lubrification des faces, les transferts de chaleur et les déformations des faces sont présentés afin d’illustrer le comportement des garnitures mécaniques
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Lire l’articleAuteur(s)
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Noël BRUNETIERE : Chargé de Recherche au CNRS - Institut P’, UPR CNRS 3346, Poitiers, France
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Bernard TOURNERIE : Professeur émérite, Université de Poitiers - Institut P’, UPR CNRS 3346, Poitiers, France
INTRODUCTION
Les articles [BM 5425] et [BM 5426] rappellent la grande variété d’agencements et d’applications industrielles des garnitures. Une autre série d’articles étudient le comportement des garnitures mécanique pour liquides : l’article [BM 5421] expose l’étude de l’écoulement du fluide entre les surfaces alignées séparées par une distance stationnaire (lubrification hydrostatique) ; les régimes de lubrification hydrodynamique ou mixte qui apparaissent lorsque les faces sont en mouvement sont présentés dans l’article [BM 5422] ; puis le comportement dynamique et les transferts de chaleur dans les garnitures mécaniques sont étudiés dans l’article [BM 5427].
Cet article s’intéresse aux déformations des faces de frottement d’une garniture, qui apparaissent lors du fonctionnement et perturbent la distribution d’épaisseur de film et donc le régime de lubrification. Le couplage entre la lubrification, la dissipation thermique et les déformations est abordé dans la seconde partie de l’article au travers de l’étude de deux exemples. Ces derniers permettent de mettre en évidence la complexité du comportement des garnitures mécaniques.
Il sera montré que, dans certains cas, des approximations permettent d’établir des modèles théoriques relativement simples ayant des solutions analytiques ou semi-analytiques que l’ingénieur de bureau d’étude pourra mettre en œuvre lui-même. Il est alors possible de mettre en évidence certains phénomènes essentiels et d’évaluer les performances de la garniture avec une précision suffisante. Ces approches ont été privilégiées dans cet article.
Dans d’autres cas, les approximations précédentes conduisent à des résultats imprécis ou erronés. Ils nécessitent une approche théorique plus approfondie et la mise en œuvre de codes de calcul dédiés plus complexes. Les principes de bases de ces études sont brièvement expliqués et leurs références bibliographiques sont citées.
Un tableau des symboles utilisés et un autre d’indices sont présentés en fin d’article.
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1. Déformations thermomécaniques
Pour fonctionner correctement, les faces de frottement d’une garniture doivent avoir un aspect géométrique bien défini afin d’assurer la formation d’un film lubrifiant tout en limitant le débit fuite. L’ordre de grandeur de l’épaisseur du film lubrifiant étant le micron, les déformations qui apparaissent en fonctionnement peuvent affecter de manière significative les performances de la garniture. Nous présentons ici quelques méthodes pour estimer l’amplitude de ces déformations.
1.1 Origine et allure des déformations
Lors de leur fabrication, les faces de frottement des garnitures mécaniques subissent une passe de finition sur une machine à roder qui permet d’obtenir une excellente planéité des surfaces. Le défaut initial d’une face de frottement est généralement de quelques dixièmes de microns.
Lorsque la garniture est montée sur la machine dont elle doit assurer l’étanchéité, des actions mécaniques viennent solliciter les différents éléments de la garniture (figure 1). Les éléments élastiques et les joints secondaires sont mis en compression et font apparaître des déformations des faces de frottement. Étant donné que les zones d’action peuvent être localisées et qu’il existe des défauts de forme et d’alignement des logements, les déformations n’ont pas forcément un caractère axisymétrique.
Dès que la garniture entre en fonctionnement, des sollicitations complémentaires apparaissent. Tout d’abord, le fluide sous pression va agir sur les surfaces « mouillées » et le champ de pression généré dans l’interface également agir sur les faces. Comme cela est montré dans l’article [BM 5427], la mise en rotation de la garniture mécanique s’accompagne d’une élévation de température des faces. Les gradients thermiques résultants conduisent alors à des dilatations différentielles. En outre, les systèmes anti-rotation entre les faces de frottement et leurs supports exercent...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LEBECK (A.O.) - Principle and Design of Mechanical Face Seals John Wiley & Sons. - Inc., New York (1991).
-
(2) - BRUNETIÈRE (N.) - An Analytical Approach of the TEHD Behaviour of Mechanical Face Seals Operating in Mixed Lubrication IMechE. - Part J, Journal of Engineering Tribology, 224, 1221-1233 (2010).
-
(3) - NYEMECK (A.), BRUNETIERE (N.), TOURNERIE (B.) - A Mixed Thermoelastohydrodynamic Lubrication Analysis of Mechanical Face Seals by a Multiscale Approach. - Tribology Transactions, DOI : 10.1080/10402004.2015.1023407, à paraître (2015).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Workshop EDF-PPRIME, Poitiers Futuroscope, organisé par le Département GMSC de l’Institut P' (UPR 3346, CNRS-Université de Poitiers-ENSMA) et par EDF R&D,
http://edf-pprime-2014.sciencesconf.org
STLE Annual Meeting and Exhibition,
http://www.stle.org/events/annual/default.aspx?
Fluid Sealing Conference, BHRGroup,
International Sealing Conference (ISC), Stuttgart,
http://www.sealing-conference.com
HAUT DE PAGE
Se référer aux articles [BM 5425] et [BM 5426].
HAUT DE PAGEOrganismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Association Française de Mécanique (AFM),
ARTEMA, Syndicat des Industries Mécanique, Membre de la FIM,
ESA, European Sealing Association,
STLE, Society of Tribologist and...
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