Principe d'étanchéité des joints toriques
Un joint torique, également appelé joint torique, est un anneau en caoutchouc de section circulaire. C'est le joint le plus largement utilisé dans les systèmes hydrauliques et pneumatiques. Les joints toriques offrent d'excellentes propriétés d'étanchéité et peuvent être utilisés pour les joints statiques et alternatifs. Ils peuvent être utilisés indépendamment et constituent un composant fondamental de nombreux systèmes d'étanchéité modulaires. Ils ont un large éventail d'applications. Si le matériau est correctement sélectionné, ils peuvent répondre aux exigences de diverses conditions de fonctionnement. Les pressions de fonctionnement varient d'un vide de 1,333 × 10⁵Pa à une haute pression de 400 MPa, et les températures s'étendent de -60°C à 200°C.
Par rapport à d'autres types de joints, les joints toriques présentent les avantages suivants :
1) Petite taille et montage et démontage faciles.
2) Peut être utilisé pour l'étanchéité statique et dynamique, avec pratiquement aucune fuite lorsqu'il est utilisé comme joint statique.
3) Un seul joint torique assure une étanchéité bidirectionnelle.
4) Faible frottement dynamique.
Le joint torique est un type de joint par extrusion. Son principe de fonctionnement de base repose sur la déformation élastique de l'élément d'étanchéité, créant une pression de contact sur la surface d'étanchéité. Si la pression de contact dépasse la pression interne du fluide scellé, une fuite se produira ; sinon, une fuite se produira. Les causes et les méthodes de calcul de la pression de contact sur la surface d'étanchéité diffèrent pour les joints statiques et dynamiques et nécessitent des explications distinctes.
1. Principe d'étanchéité pour les joints statiques
Les joints toriques sont les plus largement utilisés dans les joints statiques. S'ils sont conçus et utilisés correctement, les joints toriques peuvent assurer une étanchéité absolue et sans fuite.
Après l'installation d'un joint torique dans une gorge d'étanchéité, sa section transversale subit une contrainte de compression de contact, provoquant une déformation élastique. Cela génère une certaine pression de contact initiale Po sur la surface de contact. Même sans pression ou avec une très faible pression, le joint torique maintient l'étanchéité grâce à sa propre force élastique. Lorsque le fluide sous pression pénètre dans la chambre, le joint torique se déplace vers le côté basse pression sous l'influence de la pression du fluide, augmentant encore sa déformation élastique pour remplir et fermer l'espace δ. À ce stade, la pression de contact sur les surfaces d'accouplement de la paire d'étanchéité s'élève à Pm :
Pm=Po+Pp
Où Pp est la pression de contact transmise à la surface de contact à travers le joint torique (0,1 MPa).
Pp=K·P
K est le coefficient de transmission de pression, avec K=1 pour les joints toriques en caoutchouc ;
P est la pression du fluide scellé (0,1 MPa).
Cela améliore considérablement l'effet d'étanchéité. Puisque K est généralement ≥ 1, Pm>P. Par conséquent, tant qu'il y a une pression initiale sur le joint torique, il peut assurer une étanchéité absolue et sans fuite. Cette propriété du joint torique, qui repose sur la pression du fluide lui-même pour modifier l'état de contact du joint torique et assurer l'étanchéité, est appelée auto-étanchéité.
Théoriquement, même si la déformation de compression est nulle, il peut toujours assurer l'étanchéité sous pression d'huile. Cependant, en pratique, les joints toriques peuvent être excentriques lors de l'installation. Par conséquent, après l'installation du joint torique dans la gorge d'étanchéité, sa section transversale subit généralement une déformation de compression de 7 % à 30 %. Un rapport de compression plus élevé est utilisé pour les joints statiques, tandis qu'un rapport de compression plus faible est utilisé pour les joints dynamiques. En effet, le caoutchouc synthétique se comprime à basse température, de sorte que la pré-compression des joints toriques statiques doit tenir compte de son retrait à basse température.
2. Principes d'étanchéité pour les joints à mouvement alternatif
Les joints à mouvement alternatif sont une exigence d'étanchéité courante dans les composants et systèmes hydrauliques et pneumatiques. Les joints à mouvement alternatif sont utilisés dans les pistons et corps de vérins de puissance, l'interposition piston-cylindre et les culasses, et divers types de vannes coulissantes. Un espace est formé entre une tige cylindrique et un alésage cylindrique, à l'intérieur duquel la tige se déplace axialement. Le joint limite les fuites axiales du fluide. Lorsqu'il est utilisé comme joint à mouvement alternatif, les propriétés de pré-étanchéité et d'auto-étanchéité du joint torique sont similaires à celles des joints statiques. De plus, grâce à son élasticité inhérente, le joint torique peut automatiquement compenser l'usure. Cependant, lors de l'étanchéité des fluides liquides, la situation est plus complexe qu'avec les joints statiques en raison de l'influence de la vitesse de la tige, de la pression du liquide et de la viscosité.
Lorsque les liquides sont sous pression, les molécules liquides interagissent avec la surface métallique. Les molécules polaires de l'huile s'alignent étroitement et uniformément sur la surface métallique, formant un film limite solide entre la surface de glissement et le joint, qui exerce une forte adhérence sur la surface de glissement. Ce film liquide existe toujours entre le joint et la surface alternative, assurant un certain degré d'étanchéité et essentiel à la lubrification de la surface d'étanchéité en mouvement. Cependant, il est préjudiciable aux fuites. Lorsque la tige alternative est tirée vers l'extérieur, le film liquide sur la tige est entraîné avec elle. En raison de l'action de « balayage » du joint, lorsque la tige alternative se rétracte, ce film liquide est retenu à l'extérieur par l'élément d'étanchéité. Au fur et à mesure que le nombre de courses alternatives augmente, plus de liquide est retenu à l'extérieur, formant finalement des gouttelettes d'huile, qui représentent des fuites dans les joints alternatifs. Étant donné que la viscosité de l'huile hydraulique diminue avec l'augmentation de la température, l'épaisseur du film d'huile diminue en conséquence. Par conséquent, lorsque l'équipement hydraulique est démarré à basse température, les fuites sont plus importantes au début du mouvement. Au fur et à mesure que la température augmente en raison de diverses pertes pendant le mouvement, les fuites ont tendance à diminuer progressivement.
Les joints toriques, en tant que joints alternatifs, sont compacts et de petite taille, et sont principalement utilisés dans :
1) Composants hydrauliques basse pression, généralement limités aux courses courtes et aux pressions moyennes d'environ 10 MPa.
2) Distributeurs hydrauliques à tiroir de petit diamètre et à course courte et à pression moyenne.
3) Distributeurs et vérins pneumatiques.
4) En tant qu'élastomères dans les joints alternatifs combinés.
Les joints toriques sont les mieux adaptés comme joints alternatifs pour les petits diamètres, les courses courtes et les pressions faibles à moyennes, comme dans les composants alternatifs tels que les vérins pneumatiques et les distributeurs à tiroir. Dans les composants hydrauliques, l'utilisation de joints toriques comme joints dynamiques principaux est généralement limitée aux courses courtes et aux pressions moyennes à basses d'environ 10 MPa. Les joints toriques ne conviennent pas aux joints alternatifs à très basse vitesse ni comme seul joint pour les applications alternatives à haute pression. Cela est principalement dû au frottement élevé dans ces conditions, ce qui peut entraîner une défaillance prématurée du joint. Dans toute application, le joint doit être utilisé conformément à ses données ou capacités nominales et correctement assemblé pour obtenir des performances satisfaisantes.
3. Joints rotatifs
Les joints d'huile et les joints mécaniques sont couramment utilisés pour les joints rotatifs. Cependant, les joints d'huile fonctionnent à des pressions plus basses et sont plus grands, plus complexes et moins manufacturables que les joints toriques. Bien que les joints mécaniques puissent fonctionner à des pressions élevées (40 MPa), à des vitesses élevées (50 m/s) et à des températures élevées (400°C), leur structure plus complexe et volumineuse et leur coût élevé les rendent adaptés uniquement aux machines lourdes des industries pétrolière et chimique.
Le principal problème des joints toriques pour les applications rotatives est le chauffage Joule. Cette chaleur de frottement générée au point de contact entre l'arbre rotatif à grande vitesse et le joint torique provoque une augmentation continue de la température de ces points de contact, déformant gravement le matériau en caoutchouc et entraînant des changements de compression et d'allongement. Cette chaleur accélère également le vieillissement du matériau d'étanchéité, réduisant la durée de vie du joint torique. Elle détruit également le film d'huile d'étanchéité, provoquant la rupture de l'huile et accélérant l'usure du joint.
Sur la base de la situation ci-dessus, des recherches approfondies et approfondies ont été menées au niveau national et international sur les joints toriques pour le mouvement rotatif ces dernières années. Pour éviter le chauffage Joule, la clé réside dans la sélection correcte des paramètres structurels du joint torique en fonction des propriétés du caoutchouc, principalement l'allongement et le rapport de compression du joint torique. Des études expérimentales ont montré que les joints toriques pour le mouvement rotatif doivent être conçus avec un diamètre intérieur égal ou légèrement supérieur au diamètre de l'arbre rotatif, généralement de 3 % à 5 % plus grand. Lors de l'installation, le joint torique est comprimé de l'intérieur vers l'intérieur, et la compression de la section transversale est conçue pour être minimale, généralement d'environ 5 %. De plus, des matériaux d'étanchéité avec un impact thermique minimal sont utilisés dans la mesure du possible, et une attention particulière est accordée à la dissipation de la chaleur sur le site d'installation du joint torique. Cela améliore considérablement les performances des joints toriques, permettant leur application dans l'étanchéité des arbres rotatifs à des vitesses allant jusqu'à 4 m/s.
Récemment, du caoutchouc fluoré résistant à la chaleur et du caoutchouc polyuréthane résistant à l'usure sont apparus, et avec une compréhension plus approfondie de l'effet Joule dans les composants en caoutchouc, des solutions ont été développées pour résoudre ce problème, conduisant à la conception de nouvelles structures d'étanchéité à joint torique qui conviennent mieux au mouvement rotatif à grande vitesse et à haute pression.
Les joints toriques sont largement utilisés dans les dispositifs d'étanchéité à mouvement rotatif en raison de leur petite taille, de leur structure simple, de leur faible coût, de leurs bonnes performances de traitement et de leur large gamme d'applications.