Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
Cet article est dédié à l’étude et à la modélisation du comportement des garnitures mécaniques d’étanchéité pour liquides, et plus particulièrement à la lubrification des faces d’une garniture mécanique lorsqu'elles sont en mouvement relatif. La lubrification hydrodynamique pour laquelle les faces sont lisses et complètement séparées par un film lubrifiant est d’abord présentée. Puis le problème de la lubrification mixte est ensuite développé pour les cas où les aspérités des surfaces entrent partiellement en contact.
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This article deals with the study and modeling of the behavior of mechanical face seals for liquids, and especially the lubrication of the seal faces when these are in relative motion. The hydrodynamic lubrication for which the seal faces are smooth and fully separated by a lubricating fluid film is first presented. The mixed lubrication problem is then addressed for cases where surface irregularities are partially in contact.
Auteur(s)
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Noël BRUNETIÈRE : 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
L’article [BM 5 421] rappelle la grande variété d’agencements et d’applications industrielles des garnitures (dont les aspects techniques sont développés dans les articles [[BM 5 425] et [BM 5 426]) et expose l’étude de l’écoulement du fluide entre les surfaces alignées séparées par une distance stationnaire (lubrification hydrostatique). Les forces fluide qui se développent dans l’interface d’étanchéité et le débit de fuite sont déterminés dans ce cas.
Cet article s’intéresse aux régimes de lubrification s’établissant entre les surfaces d’une garniture mécanique lorsque celles-ci sont en mouvement relatif, ce qui est le mode de fonctionnement normal d’une étanchéité dynamique. Le régime de lubrification hydrodynamique correspondant au cas où les surfaces sont complètement séparées par un film fluide est d’abord étudié. La seconde partie s’intéresse au cas où le film fluide n’est pas d’épaisseur suffisante pour éviter le contact des aspérités. C’est le régime de lubrification mixte.
Dans certains cas, des approximations permettent d’établir des modèles théoriques ayant des solutions analytiques ou semi-analytiques que l’ingénieur de bureau d’études pourra mettre en œuvre. Dans cet article, ces approches ont été privilégiées, certains mécanismes sont mis en évidence, de nombreux exemples sont traités.
Cet article montre en outre que dans d’autres cas, les approximations précédentes conduisent à des résultats imprécis ou erronés. Une approche théorique plus approfondie est alors nécessaire avec la mise en œuvre de codes de calcul dédiés plus complexes. Les principes de base de ces études sont brièvement expliqués et leurs références bibliographiques sont citées.
Un tableau des notations utilisées est disponible à la fin de l’article (§ 5).
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
lubrication | rotating sealing
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3. Conclusion
Lorsque les surfaces d’une garniture mécanique ne sont plus parallèles et immobiles, le régime de lubrification est hydrodynamique. L’équation de Reynolds, qui gouverne la pression dans le film lubrifiant, n’a pas de solution analytique dans le cas général et il est alors nécessaire de développer des codes de calcul numériques dédiés. Cependant certaines approximations sont justifiées et permettent d’établir des solutions analytiques. À l’aide de ces dernières, les effets hydrostatiques et hydrodynamiques de génération de pression dans le film lubrifiant et les efforts exercés par celui-ci sont mis en évidence. On note qu’il ne peut y avoir de portance hydrodynamique sans cavitation. Par ailleurs, le moment hydrodynamique dû au mésalignement des faces tend à faire tourner l’axe du mésalignement de l’élément flottant, et ainsi à éviter le contact entre les faces.
La lubrification mixte permet d’optimiser le compromis entre frottement et fuite. Le modèle théorique doit caractériser et simuler fidèlement les états de surface. Le modèle déterministe, à l’opposé du modèle stochastique, rend compte de la génération de pression micro-hydrodynamique due aux aspérités, conformément aux observations expérimentales. Il nécessite cependant une résolution numérique sur un maillage très fin. Des applications et des lois empiriques ont été proposées dans cet article.
Même si la compréhension du régime de lubrification est essentielle, le comportement dynamique et thermique et les déformations associées doivent être pris en compte pour pouvoir prédire correctement les performances d’une garniture mécaniques. Ces aspects sont développés dans les articles [BM 5 427] et [BM 5 428]....
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FRENE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.) et al - Lubrification hydrodynamique – Paliers et butées. - Eyrolles, Collection de la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France, ISSN 0399-4198 (1990).
-
(2) - BONNEAU (D.), FATU (A.), SOUCHET (D.) - Paliers hydrodynamiques 1 : équations, modèles numériques isothermes et lubrification mixte – Traité RTA, série Méthodes numériques en mécanique. - Hermes (2011).
-
(3) - ETSION (I.) - The accuracy of the narrow seal approximation in analyzing radial face seals. - ASLE Transactions, vol. 24, 2, p. 186-190, avr. 1980.
-
(4) - BHUSHAN (B.) - Modern tribology handbook. - Chapter 2, Surface roughness analysis and measurement techniques., CRC Press, p. 1-71 (2001).
-
(5) - MATHIEU (H.J.), BERGMANN (E.), GRAS (R.) - Analyse et technologie des surfaces. Couches minces et tribologie. - Presses polytechniques et universitaires romandes, ISBN 2-88074-454-7, 512 p. (2003).
- ...
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 http://www.bhrgroup.com
International Sealing Conference (ISC), Stuttgart http://www.sealing-conference.com
HAUT DE PAGE2.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Association française de mécanique (AFM) http://www.afm.asso.fr/
ARTEMA, Syndicat des industries mécanique, membre de la FIM http://www.artema-france.org
ESA, European Sealing Association ...
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