Comment calculer la génération de chaleur dans un joint fonctionnant à sec

L'équation fondamentale Q = μ × P × V × A donne la génération de chaleur en watts.

• Le coefficient de frottement (μ) La plage typique est de 0,05 à 0,3 pour les joints fonctionnant à sec. Les valeurs inférieures correspondent à des matériaux tels que le PTFE ou le graphite de carbone, tandis que les valeurs supérieures indiquent des matériaux plus durs dans des conditions défavorables.
• La pression de contact (P) est mesurée en pascals ou en PSI. Vous trouverez cette valeur dans les spécifications du fabricant de joints ou vous la calculerez à partir de la force du ressort divisée par la surface de contact.
• La vitesse de glissement (V) est égale à π × D × N / 60, où D est le diamètre de l'arbre en mètres et N la vitesse de rotation en tr/min. Des vitesses plus élevées signifient toujours plus de chaleur.

Processus de calcul étape par étape

Commencez par rassembler les paramètres de fonctionnement de votre joint : diamètre de l'arbre, vitesse de rotation, pression de contact et combinaison de matériaux.

Calculez d'abord la vitesse de glissement. Pour un arbre de 50 mm à 3 000 tr/min, votre vitesse est de 3,14 × 0,05 × 3000 / 60 = 7,85 m/s.

Déterminez votre coefficient de frottement à partir des tableaux de données des matériaux. Le carbone contre l'acier inoxydable donne généralement 0,1 à 0,15.

Mesurez ou calculez la surface de contact du joint. Pour un joint d'étanchéité de face, c'est π × (R²extérieur – R²intérieur) où R est le rayon des surfaces d'étanchéité.

Multipliez toutes les valeurs ensemble : Q = 0,12 × 100 000 Pa × 7,85 m/s × 0,0003 m² = 28,3 watts.

Conversion de la génération de chaleur en élévation de température

La génération de chaleur seule ne vous dit pas si votre joint survivra. Vous devez convertir les watts en élévation de température réelle.

La formule d'élévation de température est ΔT = Q / (m × c × facteur de refroidissement), où m est la masse du joint, c la capacité thermique massique, et le facteur de refroidissement tient compte de la dissipation thermique.

Sans refroidissement, un joint en carbone typique générant 30 watts peut subir une élévation de température de 50°C. Avec un refroidissement approprié, celle-ci diminue à 10-15°C.

Erreurs courantes à éviter

• N'utilisez jamais les valeurs de frottement des joints humides pour des calculs de fonctionnement à sec. Les coefficients de frottement à sec sont généralement 5 à 10 fois plus élevés.
• N'oubliez pas de prendre en compte les multiples surfaces d'étanchéité. Les joints en tandem génèrent de la chaleur à chaque interface.
• Incluez toujours un coefficient de sécurité de 1,5 à 2. Les conditions réelles correspondent rarement aux calculs idéaux.
• Les mesures de température doivent être prises à l'interface d'étanchéité, et non au niveau du logement. La face réelle du joint est beaucoup plus chaude que les composants environnants.

FAQ

Quelle est la plage typique de génération de chaleur pour les joints fonctionnant à sec ?

La plupart des joints fonctionnant à sec génèrent entre 10 et 100 watts de chaleur. Les applications à basse vitesse restent en dessous de 20 watts, tandis que les joints à haute vitesse ou haute pression peuvent dépasser 75 watts sans refroidissement.

Comment mesurer le coefficient de frottement s'il n'est pas fourni ?

Faites fonctionner le joint dans des conditions connues et mesurez le couple. Calculez en inversant la formule τ = μ × F × r, où τ est le couple, F est la force normale et r est le rayon.

Puis-je utiliser la même formule pour les joints à gaz ?

Oui, la formule de base s'applique aux joints à gaz, mais vous aurez besoin de coefficients de frottement différents. Les joints à gaz ont généralement des valeurs de μ comprises entre 0,02 et 0,08.

Dois-je calculer la chaleur pour les conditions de démarrage ?

Oui, le démarrage génère le plus de chaleur en raison d'un frottement plus élevé avant le rodage. Utilisez des coefficients de frottement supérieurs de 50 à 70 % pour vos calculs de démarrage.