Types de joints d'arbre

Garnitures mécaniques

Todd

2024-08-16

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Les joints de contact sont un choix populaire pour de nombreuses applications rotatives, offrant une étanchéité efficace grâce au contact direct entre la surface d'étanchéité et l'arbre rotatif. Ces joints sont conçus pour s'adapter à la déflexion, au faux-rond et à la dilatation thermique de l'arbre tout en maintenant une interface d'étanchéité constante. Les types de joints de contact les plus courants comprennent les joints à lèvres radiaux, les joints mécaniques et les garnitures de compression.

Joints à lèvres radiaux

Les joints à lèvres radiaux, également appelés joints d'arbre rotatifs ou joints d'huile, sont le type de joint d'arbre le plus utilisé. Ils sont dotés d'une lèvre d'étanchéité flexible qui maintient le contact avec la surface de l'arbre, empêchant ainsi les fuites de fluide. La lèvre d'étanchéité est généralement fabriquée à partir de matériaux élastomères tels que le NBR, le FKM ou le PTFE, et peut incorporer un ressort de retenue pour assurer une pression d'étanchéité constante.

Les joints à lèvres radiaux sont disponibles dans différentes conceptions, notamment des configurations à lèvres simples, doubles et multiples, répondant aux différentes exigences d'application. Ils sont couramment utilisés dans les applications automobiles, industrielles et marines, telles que les vilebrequins de moteur, les arbres de transmission et les arbres de pompe.

Garnitures mécaniques

Les joints mécaniques sont des solutions d'étanchéité de haute technicité constituées de deux surfaces d'étanchéité plates (une surface fixe et une surface rotative) maintenues en contact par la pression d'un ressort et la pression d'un fluide. Les surfaces d'étanchéité sont généralement constituées de matériaux durs et résistants à l'usure tels que le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou la céramique.

Les joints mécaniques offrent des performances d'étanchéité supérieures à celles des joints à lèvre, ce qui les rend adaptés aux applications exigeantes impliquant des pressions, des températures et des vitesses de rotation élevées. Ils sont couramment utilisés dans les pompes, les compresseurs, les mélangeurs et autres équipements rotatifs dans des industries telles que le pétrole et le gaz, le traitement chimique et la production d'énergie.

Garnitures de compression

Les garnitures de compression sont des solutions d'étanchéité traditionnelles constituées de brins tressés ou torsadés de matériaux de garniture, tels que des fibres de PTFE, de graphite ou d'aramide. Le matériau de garniture est comprimé dans le presse-étoupe, créant ainsi un joint entre l'arbre rotatif et le boîtier.

Bien que les garnitures de compression aient été largement remplacées par des technologies d'étanchéité plus avancées, elles sont encore utilisées dans certaines applications, notamment dans les équipements plus anciens ou dans les situations où la facilité d'entretien et le faible coût sont prioritaires. Cependant, les garnitures de compression nécessitent des réglages et des remplacements fréquents pour maintenir une étanchéité efficace.

Joints sans contact

Les joints sans contact, comme leur nom l'indique, ne reposent pas sur un contact direct entre les composants d'étanchéité et l'arbre rotatif. Au lieu de cela, ils utilisent des chemins labyrinthiques, la dynamique des fluides ou des champs magnétiques pour créer un effet d'étanchéité. Les joints sans contact sont préférés dans les applications où un faible frottement, des vitesses de rotation élevées ou une usure minimale sont nécessaires. Les types de joints sans contact les plus courants comprennent les joints labyrinthiques, les joints à anneau flottant et les joints à fluide magnétique.

Sceaux du labyrinthe

Les joints labyrinthiques sont constitués d'une série de jeux étroits et de passages complexes qui créent un chemin tortueux pour le fluide, ce qui rend difficile la survenue de fuites. L'effet d'étanchéité est obtenu grâce à une combinaison de force centrifuge, de dynamique des fluides et de perte de charge à travers le joint.

Les joints labyrinthiques sont adaptés aux applications à grande vitesse et peuvent supporter une large plage de températures et de pressions. Ils sont couramment utilisés dans les turbines à gaz, les compresseurs et les turbines à vapeur, où leur conception sans contact minimise les frottements et l'usure.

Joints à anneaux flottants

Les joints à bague flottante, également appelés joints à bague ou joints annulaires, sont constitués d'une bague flottante située entre l'arbre rotatif et le boîtier fixe. La bague est généralement fabriquée à partir d'un matériau résistant à l'usure, tel que le graphite de carbone ou le PTFE, et est conçue pour flotter librement dans la direction radiale.

L'effet d'étanchéité est obtenu grâce à une combinaison de force centrifuge et de dynamique des fluides, la bague flottante agissant comme une barrière contre les fuites de fluide. Les joints à bague flottante conviennent aux applications à grande vitesse et peuvent s'adapter à la déflexion et au désalignement de l'arbre.

Joints magnétiques à fluide

Les joints magnétiques utilisent un ferrofluide, qui est une suspension de particules magnétiques dans un liquide porteur, pour créer un joint torique liquide autour de l'arbre. Le ferrofluide est maintenu en place par un aimant permanent, formant un joint étanche qui empêche les fuites.

Les joints magnétiques à fluide offrent plusieurs avantages, notamment un faible frottement, une efficacité d'étanchéité élevée et la capacité de tolérer le désalignement et le faux-rond de l'arbre. Ils sont couramment utilisés dans les applications à vide poussé, telles que les équipements de fabrication de semi-conducteurs et la technologie spatiale.

Considérations relatives à la sélection des joints

Des conditions de fonctionnement

Pression : Le joint doit être capable de supporter la pression maximale rencontrée dans le système, à la fois statique et dynamique.
Température : Le matériau du joint doit être compatible avec la plage de température de fonctionnement, garantissant ainsi qu'il conserve ses propriétés et ses performances.
Vitesse : La conception du joint doit être adaptée à la vitesse de rotation de l'arbre, en tenant compte de facteurs tels que la force centrifuge et la génération de chaleur.
Faux-rond : le joint doit s'adapter à tout faux-rond ou désalignement de l'arbre sans compromettre son efficacité d'étanchéité.

Propriétés du fluide

Viscosité : Le joint doit être capable de gérer la viscosité du fluide, garantissant ainsi une lubrification et des performances d'étanchéité adéquates.
Propreté : La conception du joint doit tenir compte de la propreté du fluide, en tenant compte de facteurs tels que la contamination par les particules et les exigences de filtration.
Abrasivité : Si le fluide contient des particules abrasives, le matériau du joint doit être résistant à l'usure pour éviter une usure excessive et des fuites.
Réactivité chimique : Le matériau du joint doit être chimiquement compatible avec le fluide pour éviter la dégradation et garantir des performances à long terme.

Facteurs environnementaux

Poussière : Dans les environnements poussiéreux, des joints avec des lèvres anti-poussière supplémentaires ou des conceptions en labyrinthe peuvent être nécessaires pour empêcher la pénétration de particules et l'usure prématurée.
Humidité : Les joints exposés à l’humidité ou à l’eau doivent être conçus pour éviter la corrosion et maintenir l’efficacité de l’étanchéité dans des conditions humides.
Vibration : Dans les applications avec des niveaux de vibrations élevés, la conception du joint doit être suffisamment robuste pour maintenir le contact et éviter les fuites.

Interface arbre et boîtier

Finition de surface : La finition de la surface de l'arbre doit être adaptée au type de joint, garantissant un contact approprié et minimisant l'usure.
Concentricité : Le boîtier du joint et l'arbre doivent être concentriques pour éviter une usure inégale et des fuites.
Dilatation thermique : la conception du joint doit tenir compte des différences de dilatation thermique entre les matériaux de l'arbre et du boîtier pour maintenir l'efficacité de l'étanchéité.

Taux de fuite et durée de vie prévue

Taux de fuite : Le type de joint et le matériau doivent être sélectionnés pour obtenir le taux de fuite souhaité, en tenant compte de facteurs tels que les propriétés du fluide et les conditions de fonctionnement.
Durée de vie prévue : La conception et le matériau du joint doivent être choisis pour assurer la durée de vie prévue, en tenant compte de facteurs tels que l'usure, la dégradation et les intervalles de maintenance.

Facilité d'installation et d'entretien

Installation : La conception du joint doit permettre une installation facile et précise, avec un minimum d'outils spécialisés ou de formation requise.
Entretien : Le joint doit être conçu pour faciliter l'inspection, le nettoyage et le remplacement, minimisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts de maintenance.

Options de matériaux d'étanchéité

Élastomères

Les élastomères sont largement utilisés dans les joints d'arbre en raison de leur flexibilité, de leur résilience et de leurs propriétés d'étanchéité. Les élastomères les plus couramment utilisés dans les applications d'étanchéité comprennent :

Caoutchouc nitrile butadiène (NBR) : le NBR est un élastomère polyvalent offrant une bonne résistance aux huiles, aux carburants et aux fluides hydrauliques, ce qui le rend adapté aux applications d'étanchéité à usage général.
Fluoroélastomère (FKM) : Le FKM offre une excellente résistance aux températures élevées, aux produits chimiques et aux fluides agressifs, ce qui le rend idéal pour les applications exigeantes dans les industries chimiques et pétrolières.
Monomère d'éthylène-propylène-diène (EPDM) : l'EPDM est connu pour sa résistance à l'ozone, aux intempéries et aux températures élevées, ce qui le rend adapté aux applications extérieures et à haute température.
Polytétrafluoroéthylène (PTFE) : le PTFE est un matériau hautement résistant aux produits chimiques et à faible frottement, souvent utilisé en combinaison avec des élastomères pour améliorer les performances d'étanchéité et réduire l'usure.

Polymères thermodurcissables

Les polymères thermodurcissables sont une autre classe de matériaux utilisés dans les joints d'arbre, offrant une résistance élevée, une résistance à l'usure et une stabilité thermique. Les polymères thermodurcissables courants comprennent :

Polyuréthane : Les joints en polyuréthane offrent une excellente résistance à l’abrasion, à la déchirure et aux huiles et aux solvants, ce qui les rend adaptés aux applications industrielles exigeantes.
Polyacrylate : Les joints en polyacrylate offrent une bonne résistance à la chaleur, aux huiles et aux produits chimiques et sont souvent utilisés dans des environnements à haute température et à fluides agressifs.

Thermoplastiques

Les matériaux thermoplastiques sont de plus en plus utilisés dans les joints d'arbre en raison de leur excellente résistance chimique, de leur faible frottement et de leur stabilité à haute température. Les thermoplastiques les plus couramment utilisés dans les applications d'étanchéité comprennent :

Polytétrafluoroéthylène (PTFE) : Le PTFE est un matériau hautement résistant aux produits chimiques et à faible frottement, souvent utilisé en combinaison avec des élastomères ou comme matériau d'étanchéité solide dans des applications exigeantes.
Polyétheréthercétone (PEEK) : le PEEK offre une excellente résistance mécanique, une résistance à l'usure et une résistance chimique, ce qui le rend adapté aux environnements à haute température et aux fluides agressifs.
Polysulfure de phénylène (PPS) : le PPS est connu pour sa résistance élevée, sa rigidité et sa résistance chimique, ce qui le rend adapté aux applications exigeantes dans les industries chimiques et automobiles.

Matériaux de la face

Dans les joints mécaniques, les matériaux de surface sont essentiels pour garantir une étanchéité efficace et des performances à long terme. Les matériaux de surface les plus couramment utilisés dans les joints mécaniques comprennent :

Carbone : Le graphite de carbone est un matériau de revêtement largement utilisé en raison de son excellente lubrification, de sa résistance chimique et de sa compatibilité avec une large gamme de fluides.
Carbure de silicium : Le carbure de silicium offre une dureté élevée, une résistance à l'usure et une résistance chimique, ce qui le rend adapté aux applications exigeantes avec des fluides abrasifs ou des pressions élevées.
Carbure de tungstène : Le carbure de tungstène est connu pour sa dureté élevée, sa résistance à l'usure et sa compatibilité avec une large gamme de fluides, ce qui le rend adapté aux applications à haute pression et à grande vitesse.
Revêtement diamanté : les faces revêtues de diamant offrent une dureté, une résistance à l'usure et un faible frottement exceptionnels, ce qui les rend adaptées aux applications les plus exigeantes avec des fluides abrasifs ou des pressions élevées.

FAQ

Quels sont les différents types de joints d’arbre marins ?

Les joints d'arbre marins sont conçus pour empêcher l'eau de pénétrer dans le navire par l'arbre d'hélice. Les types de joints d'arbre marins les plus courants comprennent :

Joints à lèvre : Joints à lèvre radiaux avec une lèvre flexible qui maintient le contact avec la surface de l'arbre, empêchant l'entrée d'eau.
Garnitures mécaniques : Garnitures mécaniques constituées d'une face fixe et d'une face rotative, maintenues en contact par la pression d'un ressort et la pression d'un fluide.
Joints à labyrinthe : joints sans contact qui utilisent une série de jeux étroits et de passages complexes pour créer un chemin tortueux pour le fluide, rendant difficile l'entrée de l'eau.
Joints à soufflet : Joints mécaniques avec un élément à soufflet flexible qui s'adapte au mouvement et au désalignement de l'arbre tout en maintenant l'efficacité de l'étanchéité.

Quels sont les types de joints d’étanchéité ?

Les joints d'étanchéité, également appelés joints à lèvre radiaux, sont conçus pour empêcher les fuites de fluide et protéger contre les contaminants dans diverses applications. Les types de joints d'étanchéité les plus courants sont les suivants :

Joints à lèvre unique : Joints avec une seule lèvre d'étanchéité qui maintient le contact avec la surface de l'arbre, empêchant les fuites de fluide.
Joints à double lèvre : Joints avec deux lèvres d'étanchéité, offrant des performances d'étanchéité améliorées et une protection contre les contaminants.
Joints à cassette : Joints pré-assemblés constitués d'un boîtier métallique, d'une lèvre d'étanchéité et d'un ressort de jarretière, facilitant une installation et un remplacement faciles.
Joints axiaux : joints conçus pour assurer l'étanchéité contre les mouvements axiaux, généralement utilisés dans les applications avec des arbres ou des tiges à mouvement alternatif.

Quels sont les différents types de joints rotatifs ?

Les joints rotatifs sont conçus pour empêcher les fuites de fluides et maintenir la pression du système dans les équipements rotatifs. Les types de joints rotatifs les plus courants sont les suivants :

Joints à lèvre radiaux : Joints dotés d'une lèvre d'étanchéité flexible qui maintient le contact avec la surface de l'arbre rotatif, empêchant ainsi les fuites de fluide.
Garnitures mécaniques : Garnitures mécaniques constituées d'une face fixe et d'une face rotative, maintenues en contact par la pression d'un ressort et la pression du fluide, assurant une étanchéité efficace dans les applications exigeantes.
Joints à labyrinthe : joints sans contact qui utilisent une série de jeux serrés et de passages complexes pour créer un chemin tortueux pour le fluide, minimisant ainsi les fuites dans les applications à grande vitesse.
Joints à bague flottante : Joints sans contact constitués d'une bague flottante située entre l'arbre rotatif et le boîtier fixe, assurant l'étanchéité grâce à la force centrifuge et à la dynamique des fluides.