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BREVET D'INVENTION. Garnitures pour tiges de piston et pistons de machines à piston pour hautes pressions.
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La présente invention est relative à une garniture pour tiges de piston et pistons de machines à piston pour hautes pressions, composée do plusieurs unités de garniture de structuras différentes.
Dans les garnitures de cette sorte pour tiges de pis- ton, par exemple, il faut que le cylindre soit étanchéifié vis-à-vis du milieu environnant, à savoir, coït vis-à-vis de la pression atmosphérique, soit vis-à-vis de la pression d'un fluide de retenue. 'La pression dans le cylindre varie fortement, à savoir, dans les compresseurs, le rapport des
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pressions du cylindre, c'est-à-dire, pression de refoule- ment : pression d'aspiration est voisin de (3 à 5) : 1, tandis que dans les compresseurs dits rotatifs ou centri- fuges, ce rapport est représenté par des valeurs moins 'élevées. Les températures des gaz dans les compresseurs atteignent 200 0 environ et, dans les compresseurs rota- tifs, 60 C environ.
Actuellement, les pressions pratiquées dans les compresseurs graissés atteignent 2500 atmosphères manométriques. On cherche à faire en sorte que les garni- tures pour machines lubrifiées nécessitent un nombre aussi réduit que possible d'unités de garniture, tout en donnant lieu à un minimum de fuites, unités qui, au bout d'une brève période de rodage, avec une pression d'application aussi réduite que possible, et une quantité minimale de lubrifiant, déterminent la formation d'un film de lubri- fiant adéquat doué d'une force portante.
Pour la marche à sec, qui est pratiquée actuellement avec une sécurité de fonctionnement à des pressions allant jusque 200 atmosphè- res manométriques environ, on fait appel à des matériaux qui engendrent sur la tige de piston des enduits glissants constitués par de faibles quantités de matière arrachée par abrasion, enduits qui possèdent un coefficient de frotte- ment réduit au minimum vis-à-vis des unités de garniture.
Etant donné que, dans un système horizontal, une tige de piston effectua de légers déplacements transversaux 4 l'en- , droit de la garniture fixe, en raison du poids en porte-à- faux, du jeu dans les guidages et de légères excentricités inévitables des efforts axiaux, il faut que les unités de garniture possèdent une faible masse et puissent se dépla- cer aisément dans le sens radial, afin que les efforts sup-' plémentaires, dus aux forces d'inertie et aux forces nées
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des déplacements, présentent des valeurs réduites, Toutes les garnitures comportent plusieurs unités de garniture disposées les unes derrière les autres. Comme il est impossible de réaliser une étanchéité absolue, une telle disposition signifie la mise en série de résistances au passage.
Il s'en- suit que l'étanchéité d'un système croît avec le nombre des unités de garniture et avec l'étanchéité spécifique des uni- tés de garniture individuelles. Les études théoriques relatives aux notions¯de la dynamique des fluides, de même que des mesures, ont mis en évidence que la majeure partie de la chute de pression à absorber doit être absorbée par les unités de garniture situées du côté basse pression. Par contre, les uni- tés de garniture situées du côté haute pression n'absorbent pratiquement que les variations derpression survenant dans le cylindre. La partie intermédiaire des unités de garniture contribue peu à l'étanchéité.
Par conséquent, le problème de l'établissement d'une garniture consiste essentiellement à établir les différentes unités de garniture de telle ma- nière qu'elles ne soient pas soumises à des contraintes trop élevées aux endroits fortement sollicités aux deux extrémités de la garniture et qu'elles puissent être soumises à la pleine sollicitation au bout d'une durée de rodage aussi brève que possible
Il est connu d'employer, à. titre d'unités de garniture pour une garniture de tiges de piston un nombre relativement réduit de systèmes à trois segments constitués par des ma- tériaux métalliques et assurant une bonne étanchéité.
Il s' agit dans ce cas d'obtenir, grâce à des cales placées suivant différente angles de coincement, que la pression d'application
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due au changement de direction de la force axiale à la suite de différences de pression au niveau de l'unité de garniture n'atteigne une valeur trop élevée,Des mesures ont toutefois montré que la gradation proposée sur la base de l'angle de coincement était incorrecte du point de vue qualitatif.D'autre part, les unités de garniture de cette sorte présentent le désavantage que leur masse est très éle- vée et que leur exécution doit, en de nombreux endroits,
répondre à des exigences très rigoureuses si l'on veut que toutes les surfaces de contact portent pleinement.On connaît d'autre part des systèmes où l'on fait appel à un nombre re- lativement élevé d'unités de garniture dont chacune prise séparément assure une étanchéité moins efficace (prospectus " garnitures Pacifie pour tiges de piston" de la firme
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Wietz & G*, 4à Dortmund-Lütgendortmund (Allemagne) p. 9 à 13) Ces unités de garniture sont entaillées dans la sens tangen- tiel et radial ou radial seulement.
La cohésion mécanique -lors du montage et de la marche est assurée dans ce cas par des ressorts tubulaires,par exemple (ouvrage "Berührungs- dichtungen an ruhenden und bewegten Maschinenteilen"Garni- tures à contact pour éléments fixes et mobiles des machines "
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par Karl Trutnov8ky, Edition Springer)Berlln/Gbttingeni Heidelberg 1958 p.102). De tels systèmes ont l'inconvénient de présenter des dimensions radialea relativement importantes, d'être composés de nombreux organes et d'être appelés à répondre en de nombreux endroits à des exigences très rigoureuses,car il faut qu'un grand nombre de surfaces de contact portent pleinement.
Toutes les garnitures connues à ce jour et destinées à de telles applications sont en principe constituées par des unités de garniture de même
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espèce. Elles ne tiennent pas compte des sollicitations particulières décrites ci-dessus, auxquelles sont soumises les deux régions fonctionnelles,à savoir, le côté haute pression et le coté basse pression.Les essais entrepris dans cette direction sont relatifs,par exemple,à la gra- dation par angles de calage citée plus haut dans le cas des unités de garniture susnommées,ainsi qu'à l'emploi de seg- ments dits d'étranglement en guise de premier élément de garniture. du côté haute pression.Dans les constructions de segments d'étranglement connues à ce jour,il s'agit de segments sans point de rupture radial et qui sont placés à jeu radial sur la tige de piston.
Des mesures ont montré que de tels segments sont pratiquement sans effet, étant donné que les interstices annulaires sont très grands par rapport au volume existant entre le segment d'étranglement et la première unité de garniture.D'autres construct- iona à segments d'étranglement comportent des éléments divisés dans le sens radial ou tangentiel,tels qu'employés' dans les unités de garniture décrites plus haut.
On a déjà exposé les désavantages de ces systèmes.Aucune des cons- tructions de garniture connues ne permet d'employer,en vue . d'assurer l'étanchéité,des matériaux relativement souples, qui ne demandent pas une période de rodage spéciale,car il est prévu entre, d'une part,'les disques de renfort uti- lisés dans certaines constructions et, d'autre part, la tige de piston ou le piston,un interstice annulaire mesu- rable, dans lequel les matériaux de bourrage souples risquent d'être refoulés à la suite de déformations en cas de grandes différences de pression.
Les tentatives visant à réaliser
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d'une façon judicieuse les séparations fonctionnelles telles qu'exposées plus haut, cela avec une sécuirité de fonctionne- ment et d'une manière économique,semblent avoir échoué jus- qu'à présent (voir ouvrage "Berührungsdictungen an ruhenden und
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bewegten !4aschinenteilen" (" Garnituras contact pdur élé- ments fixes et mobiles des machines") par Karl Trutnovsky, Edition Springer, Berlin/ Gôttingen/ Heidelberg 1958, p.108).
L'invention vise à établir une garniture composée d' @ unités de garniture, de telle manière que la réalisation constructive des unités de garniture permette une adaptation aux particularités des deux régions fonctionnelles, que l'on puisse employer pour les deux espèces d'unités de garniture r un nombre maximal de pièces identiques et que l'on puisse utilj,ser,à titre d'organes de bourrage les plus actifs, des matériaux souples n'exigeant pas de période de rodage.
En outre, il faut que les éléments puissent être exécutés d'une façon répondant à leur fonction au prix d'une dépense aussi réduite que possible.Les mêmes possibilités devraient aussi être offertes en ce qui concerne les garhitures fonc- tionnant à sec.
Suivant l'invention, ce but est atteint par le fait que la garniture, comprend un côté haute pression et un côté basse pression,chaque unité de garniture se composant d'une bague de renfort et d'une bague de bourrage.
Afin d'éviter que des matériaux de bourrage eouples ne soient refoulés, à la suite de leur déformation, dans les interstices annulaires entre la bague de renfort et l'or- gane à étanchéifier,et conformément à une autre particula- rité de l'invention.Les bagues de renfort, constituées en un matériau rigide,sont montées sans jeu radial par rapport
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à la tige de piston ou au piston, animés d'un mouvement de va-et-vient.
Dans.le cas de matériaux qui ne subissent pas une déformation plastique appréciable avant que la tension de rupture ne soit atteinte (par exemple fonte grise ou matières frittées), on réalise le montage des bagues de renfort sans jeu dans le sens radial par le fait que l'on rompt la bague de renrort en un point ae sa peripherie, préalablement à son montage dans la garniture,le diamètre intérieur de la bague de renfort étant inférieur d'une très petite quantité au diamètre de la tige de piston ou à celui du piston.
Lorsque la bague de renfort est constituée en un matériau qui subit une déformation plastique appréciable avant que la tension de rupture ne soit atteinte, on munit cette bague, en un point de sa périphérie,préalablement à spn montage dans la garniture, d'une forure radiale et rompt la bague à cet endroit,le diamètre intérieur de la bague de renfort étant inférieur d'une très petite quantité au diamètre de la tige de piston ou à celui du piston.
Afin d'éviter un comportement instable de la bague de renfort sous une forte sollicitation périphérique en raison de grandes difiérences de pression, et conformément à une autre caractéristique de l'invention,la paroi de la bague de renfort présente une épaisseur telle que cette bague demeure stable sous toutes les sollicitations suscep- tibles de se manifester.
Etant donné le contact sans jeu des bagues de renfort, on peut utiliser,côté haute pression, des bagues de bourrage avec un grand jeu de joint, de sorte que,conformément à 1' invention,les bagues de bourrage côté haute pression sont consti-. tuées par des segments de piston à serrage intérieur.
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Etant donné que les bagues de renfort fonctionnent pratiquement sans jeu et que, lors du démarrage,elles fonctionnent avec un faible jeu de joint négligeable et que, d'autre part, les unités de garniture du coté basse pres- sion doivent absorber les grandes différences de pression, et conformément à une particularité de l'invention, les bagues de bourrage du côté basse pression sont,constituées en une matière de bourrage souple, qui n'exige pas de période de rodage.
Afin d'assurer une prise par effet de forme de la part du matériau de bourrage côté basse pression, matériau qui ne possède pas une rigidité propre suffisante, on entoure l'aire latérale cylindrique de la bague de bourrage d'une ba- gue de recouvrement à serrage intérieur.
Afin de réduire les pressions de surface entre, d'une part, les bagues de renfort et de bourrage et, d'autre part, la tige de piston ou le piston, en tenant compte des néces- sités de chaque cas, on établit les bagues de renfort et/ou les bagues de bourrage, ou un groupe de chacune de ces sé- ries de bagues, suivant une construction compensée.
Si l'on désire que seuls les éléments soumis aux sol- licitations les plus élevées soient pourvue d'une compensation on prévoit dans les unités de garniture soumises aux sol- licitations les plus élevées,la compensation des bagues de renfort et des bagues de bourrage ou celle d'un groupe de chacune de ces séries de bagues.
Vans le cas de tiges de piston et de pistons fonc- tionnant à sec et conformément à l'invention, les bagues de renfort et les bagues de bourrage sont constituées en maté- riaux convenant au fonctionnement à sec,
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Un exemple de réalisation de l'invention est repré- senté dans les dessins annexés et sera décrit ci-après d'une manière plus détaillée. Dans ces dessins:
La Fig.l est une coupe longitudinale d'une garniture de tige de piston,et
La Fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale d' une bague de renfort pourvue d'une forure radiale, dont un côté ne comporte pas de compensation tandis que l'autre coté est affecté d'une compensation.
La tige de piston 1 effectue un mouvement de va-et- vient dans le sens axial.n outre, par suite du jeu dans les guidages du poids s'exerçant en porte-à-faux lorsque la disposition est horizontale,ainsi que de petites excentricités inévitables des forces axiales,il se produit en outre de légers mouvements transversaux inévitables Des disques de séparation 2 et des disques intermédiaires 3 sont,par exemple, assemblés par des vis 4 en vue du montage et sont fixés ainsi les uns par rapport aux autres.Les deux zones fonctionnelles - le côté haute pression H et le coté passe pression N sont constituées respectivement, dans le système représenté,
par des unités de garniture semblables H1 à Hj et N1 à N3.Le nombres des unités de garniture dépend de la différence de pression et d'autres facteurs et ne fait pas l'objet de l'invention. L'unité de garniture Hl se compose de la bague de renfort 5 et de la bague de bourrage 6.
Une autre forme'de réalisation est représentée par l'unité de garniture H2.0n a représenté à cet endroit une bague de renfort équilibrée 7 et une bague de bourrage équilibrée 8.
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On connaît plusieurs forces de réalisation permettant d'ob- tenir un équilibrage d'éléments de bourrage. Toutes ces formes d'exécution comportent une communication entre une partie de la surface de bourrage et la surface extérieure de l'élé- ment de bourrage. Le mode d'exécution suivant l'invention d'une bague de renfort 5 ou 7 prête à être installée est représenté dans la Fig.2.Les bagues de renfort sont exécu- tées avec un diamètre intérieur D, qui est légèrement infé- tieur au diamètre d de la tige de piston,suivant la Fig.l (par exemple 0,01 mm pour un diamètre de la tige de 100 mm).
On rompt ensuite la bague de renfort au point de rupture B.
Lorsqu'on fait appel à des matériaux qui présentent une dé- formation plastique appréciable avant d'atteindre la tension de rupture, on pratique, préalab lment à la rupture,la forure radiale représentée dans la Fig.2 et ayant un diamètre de forage transversal Dl.Lors du montage,il s'établit au point de rupture ,en raison du sous-calibrage d-D,un petit- jeu de joint de 0,0314 mm par exemple, jeu qui, lors du rodage, disparaît rapidement par suite de l'élimination de la ru- gosité superficielle.Suivant l'invention,les bagues de bourrage 6 et 8 sont des segments de piston exerçant un serrage vers l'intérieur,à section rectangulaire et à joint droit.Le jeu de joint pour l'état installé est relati- vement important et représente,par exemple,7 à 8 mm pour un diamètre de tige de 100 mm.
Sur le côté basse pression N, les unités de garniture N1 à N3 sont constituées par les mêmes bagues de renfort 5 ou 7 ou 5 et 7 et par les bagues de bourrage 9, constituées par des pièces découpées à dimen- sion dans un matériau souple à section carrée ou rectangu- laire,par exemple un matériau en forme de tresses, compa- tible avec des gaz. Les bagues de bouc--rage 9 peuvent
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également consister en un matériau souple plein approprié, par exemple en une matière synthétique,et présenter la forme de segments de piston avec joint à chevauchement.
Les bagues de recouvrement 10, qui exercent une contrainte de l'extérieur vers l'intérieur,assurent la continuité de forme des bagues de bourrage 9.
L'invention est également applicable aux garnitures pour tiges de piston et aux pistons de machines fonctionnant à sec, grâce à l'emploi,pour les bagues de renfort et de bourrage, de matériaux convenant au fonctionnement à sec.
Les avantages obtenus grâce à la présente invention résident principalement dans le fait que les bagues de ren- fort- qui son montées avec une pression d'application peu élevée, en raison du jeu de joint très minime au point de rupture B, à la suite de quoi les pointes des rugosités su- perficielles disparaissent rapidement- se rodent très rapide- ment, après quoi ils supportent les bagues de bourrage sur la tige de piston ou le piston, sans liberté ni jeu de joint et sans pression de surface.
Grâce à cette disposition,on peut employer pour les bagues de bourrage des matériaux souples,qui'permettent un démarrage sans rodage. La subdivision en deux zones fonction- nelles offre, en ce qui concerne le côté haute pression H - dont les unités de garniture sont constituées par des bagues d'étranglement à ajustage très exact et conviennent parfai- tement pour absorber des différences de pression tant va- riables que constantes -l'avantage que pendant la brève période possible de reflux,après l'inversion de pression dans le cylindre, des gaz par exemple, peuvent refluer aisément hors
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des espaces entre les unités de garniture, grâce au fait qu'en raison du jeu .de ointdes bagues de garniture,
la combinaison de bagues de renfort et de bourrage n'exerce qu' un effet d'étanchéité très inadéquat dans le sens allant vers le c8té haute pression.
Il ne se produit pas de reflux sur le côté basse pression N, parce que,à cet endroit, les pressions sont sensiblement constantes en fonction du temps et qu'il ne se manifeste pas de différence de pression variables. Pour cette raison l'emploi d'un matériau souple pour les bagues de garniture du côté basse pression offre des avantages appréciables, étant donné que les différences de pression les plus impor- tantes se manifestent à cet endroit.Seul l'emploi d'un ma- tériau souple permet sur le côté basse pression, un fonc- tionnement sans période de rodage.
Ceci est rendu possible principalement par l'emploi de bagues de renfort conforme à l'invention.Un autre avantage des unités de garniture suivant l'invention réside dans le fait que celles-ci peuvent être exécutées de manière à présenter un poids réduit et en ce que des bagues de renfort similaires sont utilieées dans toutes les unités de garniture.
Grâce à cetce disposition, les faibles déplacements transversaux inévitables de la tige de piston ne donnent lieu qu'à des efforts supplémentaires peu importants,et le nombre des organes est maintenu à une valeur peu élevée.Un autre avantage des garnitures ainsi constituées réside en ce que;
, dans les machines à piston lubrifiées,la consommation de lubrifiant requise pour les garnitures est notablement moindre que dans les garnitures suivant les construc. tions connues à ce jour,étant donné que,dans la zone corres- pondant au côté basse pression, qui est fortement sollicité
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en ce qui concerne la pression différentielle,les matériaux souples constitutifs des bagues de bourrage s'imprègnent entièrement de lubrifiant,de sorte qu'ils contribuent eux mêmes à la formation du film de lubrifiant.Ceci n'est pas le cas pour les matériaux métalliques le plus souvent em- ployés à ce jour. En adoptant la même construction,on peut aussi établir, avec des matériaux appropriés,des garnitures pour machines fonctionnant à sec.
REVENDICATIONS
1. Garniture constituée par plusieurs unités de gar- niture de structure différente, pour tiges de piston et pistons de machines à piston pour hautes pressions, carac- térisée en ce que la garniture comprend un côté haute pression (H) et un côté basse pression (N) chaque unité de garniture (H1; H;H; N1; N; N3) consistant en une bague de renfort (5;7) et une bague de bourrage (6;8;9).