Lubrification mixte dans les étanchéités dynamiques : application aux garnitures mécaniques d'étanchéité

Mixed lubrication of dynamical sealing devices, application to mechanical face seals

• Auteur / Autrice : Christophe Minet
• Direction : Bernard Tournerie, Noël Brunetière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, productique, transport
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Cavitation

Lubrification hydrodynamique

Rugosité

Tribologie (technologie)

Résumé

Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants fréquemment rencontrés dans les applications industrielles. Une garniture est constituée de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide dont il faut assurer l'étanchéité. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. Dans ce cas, le film fluide n'est pas complet et des zones de contact apparaissent. Une analyse bibliographique approfondie a permis de justifier le recours à une approche déterministe pour notre étude. Cela nécessite de caractériser correctement les surfaces rugueuses et de pouvoir les reproduire par simulation numérique. Une étude métrologique a été menée sur des échantillons de garnitures mécaniques à plusieurs stades de fonctionnement. Ainsi, les valeurs des paramètres statistiques de la rugosité de ces surfaces ont pu être déterminées. Un modèle numérique de génération de surface rugueuse non Gaussienne a été développé. Un modèle d'écoulement déterministe de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Il inclut la cavitation dans le fluide et le contact normal hertzien des aspérités. La résolution de l'équation de conservation du débit est entreprise au moyen de la méthode des volumes finis. Une étude paramétrique a été réalisée pour quatre surfaces statistiquement équivalentes et représentatives d'un état de surface rodé. Le modèle met en évidence la génération de portance due à la rugosité, bien que les surfaces moyennes soient planes et parallèles. Des courbes de Stribeck ont été tracées pour chaque cas étudié. L'écart-type de la hauteur des rugosités est le paramètre ayant le plus d'influence sur les résultats. De plus, le développement de la microcavitation, qui dépend étroitement de l'agencement de la rugosité, a une grande importance dans la modélisation.

Mechanical face seals are commonly used in industrial applications. The main purpose of these components is to insure the sealing of rotating shafts. A mechanical seal is basically a set of two rings whose contact is lubricated by the sealed fluid. The optimal point of operation is reached by minimizing both leakage and wear. The average film thickness is then about one micrometer and the seal is operating in mixed lubrication conditions. In this case, the faces are not completely separated by the fluid film and asperity contact occurs. The choice of a deterministic approach was justified from a detailed bibliographical analysis. An accurate description of the surfaces roughness was required, as well as the development of a numerical modelling tool able to simulate it. A metrological study was realised on samples of mechanical seal surfaces at several stages of operation. The statistical parameters obtained from the surfaces roughness could thus be evaluated and used in a numerical model enabling the generation of non Gaussian surfaces. A deterministic flow model for mixed lubrication in mechanical seals is then presented. It takes the cavitation effects and normal hertzian asperity contact into account. The equation of flow rate conservation in the contact was solved using finite volume method. A parametric study was carried out on four statistically equivalent simulated surfaces. The model highlights the increase in load capacity due to the roughness, although the mean surfaces are flat and parallel. Stribeck curves have been obtained for each studied case. The standard deviation of the roughness is the major parameter influencing the coefficient of friction. Furthermore, the development of microcavitation, which mostly depends on the roughness distribution, influences the results to a great extent.