Usure du Polytétrafluoroéthylène chargé :
approche par les débits de troisième corps solide.
Application aux segments de piston de compresseur.
par Laurent Mahé

Chapitre 2 Démarche

Il existe en lubrification hydrodynamique la théorie de Reynolds {rey87} formulée à partir des équations de la mécanique des fluides. C'est un formalisme complet qui permet, pour des conditions de fonctionnement données, de déterminer le profil de vitesse et la distribution des contraintes normales et tangentielles dans un film de lubrifiant épais (troisième corps fluide).

Dans le cas d'un contact à deux corps, c'est la mécanique des contacts qui est utilisée. Elle donne en statique pour une charge normale, en fonction des propriétés mécaniques des massifs et de la géométrie des surfaces en contact, la répartition des contraintes normales et tangentielles et les déplacements correspondants {her82,joh85}. En dynamique cette théorie est difficilement utilisable car le calcul des contraintes tangentielles et les déplacements induits repose sur des hypothèses fort discutées.

Une théorie globale du frottement avec troisième corps solide est pour l'instant hors de portée car c'est un domaine pluridisciplinaire (mécanique, thermique, science des matériaux, physicochimie), où chaque discipline ne peut formaliser le problème à elle seule. Godet et Berthier {god84,ber88,ber95} ont élaboré un concept phénoménologique à partir d'observations expérimentales, qui permet de rendre compte du comportement d'un contact en frottement. Ce concept s'appuie sur les notions de triplet tribologique, de mécanisme d'accommodation de vitesse et de circuit tribologique.

Le but de cette étude est donc de reconstituer la dynamique du contact entre le segment porteur et le cylindre et d'évaluer la contribution de la mécanique, de la science des matériaux et de la physico-chimie.

figure 2.1 triplet tribologique de l'étude.

2.1 Mécanismes d'accommodation de vitesse

Les éléments du triplet tribologique sont le mécanisme (compresseur) dans lequel se situe le contact, les premiers corps qui sont les massifs qui le bordent (segment porteur et cylindre) et le troisième corps qui est l'intégralité de l'interface compris entre les premiers corps. Le troisième corps se décompose en deux écrans et une partie centrale volumique.

Dans un contact élémentaire (figure 2.2), six sites d'accommodation, noté Si, ou lieux possibles d'accommodation de vitesse ont été identifiés :

figure 2.2 mécanismes d'accommodation de vitesse.

• site S0 ou le mécanisme (compresseur),
• sites S1 et S5 ou peaux des premiers corps (segment porteur, cylindre),
• sites S2 et S4 ou écrans. Ce sont les parties du troisième corps situées à la surface des premiers corps. Typiquement ce sont des couches de pollution dont l'épaisseur caractéristique est de l'ordre de quelques nanomètres. Elles sont appelées écrans car elles empêchent l'adhérence en écrantant les forces de surfaces,
• site S3 ou partie massive du troisième corps. L'épaisseur caractéristique est de l'ordre de quelques micromètres.
  

Les sites S2, S3, et S4 n'existent pas forcément en même temps.

Dans le même élément de contact, quatre modes d'accommodation, noté Mj, ou moyens possibles d'accommodation de vitesse ont été identifiés :

• mode élastique M1, ou la déformation élastique des solides contribue à l'accommodation de vitesse,
• mode de rupture M2, ou des ruptures normales à la surface de contact délimitent des colonnes dont la raideur est inférieure à celle du massif initial. Chacune des colonnes contribue alors à accommoder le déplacement,
• mode de cisaillement M3, la déformation plastique et le cisaillement dû à la viscosité rentrent sous cette rubrique,
• mode de roulement M4, lié à la formation de rouleaux ou de billes au cours du frottement.
  

La combinaison d'un site Si et d'un mode Mj forme un mécanisme d'accommodation de vitesse, noté SiMj. Avec cette notation la lubrification hydrodynamique correspond au mécanisme S3M3, en effet l'accommodation a lieu dans le film de lubrifiant, site S3, par cisaillement, mode M3.

En frottement avec troisième corps solide, plusieurs mécanismes d'accommodation de vitesse peuvent intervenir simultanément ou en relais. Les SiMj ont été introduits pour un contact et un intervalle de temps élémentaires. Les SiMj activés se relaient à la fois dans le contact et dans le temps. Cette prise de relais implique qu'à un instant donné seules quelques zones d'un contact sont effectivement activées.

L'identification des SiMj activés permet de relier les variations du frottement à la physique. Partant de là, il est possible de relativiser les contributions de la mécanique, de la science des matériaux et de la physico-chimie. Les SiMj sont un outil d'expertise des contacts industriels et plus généralement un outil de transfert entre simulation et application.

2.2 Circuit tribologique

Les particules de troisième corps adhèrent aux premiers corps à l'arrêt, mais lors du mouvement, elles sont soumises à des gradients de vitesse. Par conséquent les contacts sont le siège de débits de matière. L'usure sera donc abordée en terme de débits de troisième corps. La détermination de l'origine du troisième corps, des phénomènes qui entraînent l'activation des différents débits du circuit tribologique (figure \ref{fig:debit}) et qui conditionnent la circulation du troisième corps sont indispensables à la maîtrise de la durée de vie du segment porteur.

figure 2.3 circuit tribologique.

Les différents débits du circuit tribologique sont les suivants :

• QSi : le débit source interne est l'alimentation interne du contact en troisième corps naturel. Il est obtenu par détachement de particules lors de la dégradation des premiers corps qui sont le segment porteur et le cylindre,
• QSe : le débit source externe est obtenu par alimentation externe en troisième corps artificiel. Les particules constituant ce débit peuvent provenir de différentes origines : détachements de particules d'autres éléments du compresseur (segments d'étanchéité, clapets,...), particules provenant de l'air aspiré dans la chambre de compression,
• QI : le débit interne est la circulation du troisième corps dans le contact,
• QE : le débit externe est l'éjection du troisième corps du contact. Ce débit se scinde en deux : QR et QU,
• QR : le débit de recirculation correspond au débit des particules qui seront réintroduites dans le contact,
• QU : le débit d'usure correspond au débit de particules qui ne seront jamais réintroduites dans le contact.

2.3 Conception, naissance, et vie propre du contact

Avant la première mise en marche du compresseur les premiers corps (cylindre, segment porteur) sont en contact sans mouvement. Le site S3 n'est pas encore présent, par contre les sites S2 et S4 le sont.

Une fois le compresseur mis en marche, le segment porteur se déplace par rapport au cylindre. Dès le début de ce mouvement, des forces tangentielles apparaissent et elles induisent le champ de contraintes tribologique qui se superpose au champ de contraintes de structure.

Le déplacement se poursuit, la notion de temps, donc de cumul des dommages s'ajoute aux conditions précédentes. Chaque site répond spécifiquement au champ de contraintes par des transformations qui modifient plus ou moins leurs caractéristiques mécaniques. Schématiquement, les transformations peuvent être soit de la fissuration, soit des transformations tribologiques superficielles (T.T.S.). Elles peuvent conduire au détachement de particules donc à la création du site S3. Une fois le site S3 créé, la vie du contact dépend de lui.

2.4 Triplet tribologique

Dans le chapitre 1, le compresseur, le cylindre et le segment porteur ont été présentés d'un point de vue industriel. La démarche suivie consiste à conceptualiser en terme de triplet tribologique et de débits de troisième corps les données issues de l'exploitation du savoir-faire du compressoriste, afin de déterminer les voies à explorer pour parvenir à l'écriture du scénario de la vie du contact.

2.4.1 Mécanisme

Montage du segment porteur

Le segment porteur est fretté dans une gorge du piston. Le frettage entraîne une précontrainte du segment porteur. Le positionnement dans la gorge du piston l'empêche de glisser sur le piston, lors du mouvement. Ce montage conditionne également les conditions d'échange thermique entre le piston et le segment porteur.

Cinématique du segment porteur

Le cylindre est fixe et le segment porteur se déplace dans le cylindre, ils sont de géométrie conforme. Le jeu initial entre le segment porteur et le cylindre est d'environ 0,6 mm.

Le segment porteur étant solidaire du piston, c'est le mouvement du piston qui détermine celui du segment porteur. La trajectoire théorique du piston est un mouvement alternatif horizontal et linéaire suivant son axe qui se détermine facilement (annexe \ref{vitesse}). Néanmoins son mouvement n'est probablement pas parfait car le piston peut se déplacer dans d'autres directions. Par exemple, le piston peut rebondir dans le cylindre, lorsque se produit le phénomène de "sauts de tige", ceci traduit le couplage entre le frottement du segment porteur et celui des garnitures d'étanchéité. Il est également possible que les surfaces en contact ne restent pas coaxiales c'est-à-dire qu'il y ait un basculement du piston.

La vitesse du piston a également une influence sur le contact, qui se traduit par une génération de chaleur à l'interface du contact entre le segment porteur et le cylindre.

Pression de contact

Industriellement, la pression de contact PC se calcule en divisant le poids du piston FP ajouté à la moitié de celui de la tige FT par la surface en contact SC du segment porteur qui est supposée être répartie sur 120° de sa circonférence et sur toute sa génératrice. La pression de contact maximale admissible doit être inférieure à 0,025 MPa, d'après le compressoriste. Cette répartition sur 120° est celle prise en considération par le compressoriste bien que les dégradations du segment porteur observées en exploitation soient plutôt réparties sur 90°.

(2.1) PC = (FP + FT/2 ) / SC

Segments d'étanchéité

Les segments d'étanchéité comme le segment porteur se dégradent, un débit source QS de troisième corps en provient donc. Ce troisième corps est un débit source externe QSe pour le contact entre le cylindre et le segment porteur. Les contacts entre le cylindre et le segment porteur, et entre le cylindre et les segments d'étanchéité sont différents. Contrairement au segment porteur, les segments d'étanchéité sont ouverts et libres dans leur gorge. C'est le différentiel de pression qui les plaques sur le cylindre, assurant ainsi l'étanchéité. Cette différence de géométrie de contact pourrait modifier les débits de troisième corps.

De plus, la configuration et le nombre de segments varient en fonction de l'application. Par exemple, plus le différentiel de pression augmente et plus le compressoriste augmente le nombre de segments d'étanchéité sur le piston.

Tige et garnitures d'étanchéité

L'étanchéité au niveau de la tige du piston est assurée par des garnitures d'étanchéité qui sont des tresses composées de fibres de carbone et de kevlar imprégnées de PTFE. Ces tresses sont logées dans un presse-étoupe. L'expertise du contact entre les tresses et la tige donneront des indications sur le mouvement du piston.

Milieu de fonctionnement

L'air atmosphérique aspiré dans la chambre de compression est, en général, chargé d'humidité. Dans le premier étage d'un compresseur d'air, le taux d'humidité relative HR est d'environ 50%. Le circuit d'air en amont de la chambre de compression peut être le siège de corrosion qui est susceptible de produire des particules. Ces particules pourront être entraînées dans la chambre de compression, par l'air aspiré. Des particules peuvent également être contenues dans l'air aspiré, si le compresseur est proche d'une cimenterie par exemple. Toutes ces particules s'introduiront sûrement dans le contact, et elles sont donc un débit source externe QSe potentiel de troisième corps.

Clapets

Les clapets sont également des pièces susceptibles de se dégrader et de produire des particules. Une fois dans la chambre de compression, ces particules sont, elles aussi, un débit source externe QSe potentiel. D'après le compressoriste, ceci ne se produit seulement si l'utilisateur ne respecte pas les consignes d'entretien des clapets.

Compression

Il y a un différentiel de pression entre les deux effets du piston qui est assuré par les segments d'étanchéité. Le segment porteur étant fretté sur le piston, il existe un jeu entre le segment porteur et le cylindre sur la majeure partie de sa circonférence, les pressions de part et d'autre du segment porteur sont sûrement les mêmes.

La compression étant polytropique, l'air aspiré se réchauffe lors de sa compression et il réchauffe toutes les pièces de la chambre de compression. Donc le piston et le segment se dilatent, ce qui pose les questions suivantes : à partir de quelle température le segment n'est-il plus fretté sur le piston, est-il serré dans la gorge du piston, et est-il serré dans le cylindre?

Mode de fonctionnement

Dans les applications industrielles, le compresseur peut fonctionner :

• en charge, ou marche à 100%, dans ce cas les deux effets sont actifs,
• en demi-charge, ou marche à 50%, dans ce cas les clapets d'un des effets sont ouverts, et un seul effet est actif,
• à vide, ou marche à 0%, dans ce cas tous les clapets sont ouverts, et les deux effets sont inactifs.
  

Dans le premier cas de la figure 2.4 , le compresseur fonctionne en charge la majorité du temps. La température du piston reste stationnaire comme lors d'un fonctionnement constant en charge, ce qui équivaut pratiquement à un régime stationnaire.

Dans le deuxième cas de la figure 2.4, le compresseur fonctionne à vide la majorité du temps. La température du piston varie, le régime thermique n'est plus stationnaire. De plus, il y a des risques de condensation qui peuvent être néfastes pour la segmentation.

figure 2.4 alternances des modes de fonctionnement.

Le compressoriste a remarqué une durée de vie supérieure de la segmentation lorsque le compresseur fonctionne toujours en charge.

Conséquences sur l'étude du mécanisme

Afin de définir les conditions de contact entre le segment porteur et le cylindre, il faut donc déterminer le mouvement du piston et sa vitesse, les températures des différentes pièces présentes dans la chambre de compression, la pression autour du segment porteur, l'aire et la pression de contact. Ces résultats permettront de déterminer la géométrie réelle du contact, les champs de contrainte thermomécaniques dans les premiers corps.

L'observation des segments, du cylindre, de la tige et des garnitures permettra d'avoir des informations sur les déplacements du piston. L'instrumentation du compresseur en pression, température et déplacement permettra d'évaluer les pressions entre les segments, les températures du segment porteur, du piston, et du cylindre, et le mouvement réel du piston. Parallèlement, une modélisation permettra de déterminer le champ de contrainte thermomécanique dans le segment, la pression de contact et l'aire de contact. Une autre modélisation permettra de calculer les températures de contact.

2.4.2 Premiers corps

Caractéristiques thermomécaniques

Le segment est en PTFE chargé et le cylindre en fonte FGL250. L'évaluation des champs de contraintes thermomécanique dans les premiers corps nécessite de connaître leurs caractéristiques thermomécaniques : module d'élasticité, coefficient de Poisson, coefficient de dilatation, conductivité thermique,...

Morphologie de la surface

La morphologie de la surface des premiers corps, en particulier celle du cylindre, semble avoir une grande influence sur la durée de vie de la segmentation. Le compressoriste se base uniquement sur le critère de rugosité Ra pour définir l'état de surface des cylindres. Ce critère est insuffisant pour décrire précisément la morphologie des surfaces nécessaire à l'étude tribologique.

Conséquences sur l'étude des premiers corps

La composition et les propriétés mécaniques de la fonte FGL250 sont définie par la norme AFNOR NF A 32-101, l'étude du cylindre sera donc centrée sur la mise en \oe uvre de sa surface et plus particulièrement sur sa morphologie de surface.

Pour le PTFE chargé, il n'existe aucune norme. Il faudra donc étudier ses propriétés thermomécaniques, sa composition, la mise en \oe uvre du segment et son état de surface.

2.4.3 Troisième corps

Troisième corps initial : les écrans

A priori des écrans, site S2 et S4, sont présents sur les premiers corps au début du contact. Pour le cylindre, ils proviennent des opérations d'usinage, de stockage avec huilage puis du nettoyage avant la mise en service. Pour le segment porteur, ils proviennent des opérations d'usinage, de montage sur le piston et de nettoyage.

Débit source externe QSe

Les segments d'étanchéité sont réalisés dans le même matériau que le segment porteur. Donc lors de l'analyse du troisième corps nous ne pourrons pas différencier les particules détachées des segments d'étanchéité de celles détachées du segment porteur. Cependant ces particules pourront être étudiées dans les zones ou le segment porteur ne porte pas.

Les particules véhiculées par l'air aspiré sont piégées par un filtre avant leur entrée dans le premier étage du compresseur. Lors des essais, la filtration sera optimum afin que les particules aspirées ne rentrent pas dans le débit source externe. Des particules provenant des autres parties du compresseur peuvent également faire partie du débit source externe ; par exemple, des particules d'usure des clapets ou des particules provenant de l'intérieur du piston.

Débit source interne QSi

L'analyse du troisième corps permettra de connaître son origine. Les moyens d'analyse qui seront utilisés sont une loupe binoculaire (B), un microscope optique (MO), un microscope électronique à balayage (MEB) sur lequel est couplé un système d'analyse EDX.

Débit d'usure QU

Les particules définitivement perdues pour le contact se trouvent dans la chambre de compression ou hors de la chambre de compression lorsqu'elles sont entraînées par l'air comprimé. La récupération des particules entraînées par l'air est faite par un filtre au niveau du refoulement. Pour les autres, elles seront prélevées à partir de répliques des parois de la chambre de compression. L'observation de ces particules apportera des informations sur l'activation du débit d'usure.

Débit de recirculation QR

Le troisième corps présent sur le cylindre et sur le segment porteur correspond en partie au débit de recirculation, les surfaces frottées des premiers corps apporterons donc également des informations sur le circuit tribologique.

Conséquences sur l'étude du troisième corps

L'élaboration du circuit tribologique et du scénario de la vie du contact à partir des seules observations des surfaces frottées des premiers corps après ouverture du contact et des particules perdues pour le contact est difficile car ces observations apportent une vue trop statique des phénomènes mis en jeu. De plus, la durée de vie d'un segment est d'environ 8000 heures, il est donc difficile à l'échelle d'une thèse d'observer les surfaces frottées des premiers corps à différents moments de leur vie ce qui permet d'avoir une vue quasi-dynamique des phénomènes.

Pour ces raisons, des essais avec des premiers corps en fonte et en PTFE chargé seront effectués sur des simulateurs. Les surfaces des éprouvettes seront observées après ouverture du contact à différents moments de la vie du contact. Ceci permettra d'avoir une vue de l'évolution du contact à long terme, et une vue quasi-dynamique à court terme. De plus, sur les simulateurs, les différents paramètres que sont la température et l'humidité pourront être isolés. Ce gain d'information se faisant bien évidemment au détriment de l'influence du mécanisme qu'est le compresseur.

De plus, des essais de visualisation seront effectués en remplaçant le premier corps en fonte par un premier corps en verre. Ceci permettra d'avoir une vue dynamique instantanée des débits de troisième corps. Ce gain d'information supplémentaire se faisant bien évidemment toujours au détriment de l'influence du mécanisme mais également de l'influence du premier corps en fonte.

L'ensemble des informations récoltées au cours des essais sur simulateurs et des expertises sur le compresseur permettront de reconstituer le scénario de la vie du contact et le circuit tribologique des débits de troisième corps.

2.5 Conclusion

Le but de la démarche est de déterminer le scénario de la vie tribologique du contact et le circuit tribologique, pour y parvenir les composantes du triplet tribologique seront d'abord étudiées séparément. Le mécanisme sera expertisé, instrumenté et modélisé. Les premiers corps seront caractérisés tant au niveau du volume que des surfaces, leur composition et leur mise en \oe uvre seront étudiées. Le troisième corps sera étudié sur différents simulateurs ainsi que sur le compresseur. Les interactions entre les différents éléments du triplet seront ensuite évaluées.

L'étude de l'ensemble du triplet tribologique est menée de front, cela implique une certaine divergence au début de la conduite de la démarche. Une fois toutes les voies ouvertes, il faut les hiérarchiser selon deux types de critères. Le premier critère est purement matériel, en effet il faut engager des actions qui sont viables sur la durée de la thèse, qui ont une forte probabilité de réussir et un coût rentrant dans le budget. Le deuxième critère est d'étudier les échelles et les phénomènes significatifs. Vu la grande pluridisciplinarité de cette étude et les limites scientifiques qui leur sont propres, il nous faudra, une fois que toutes les voies seront ouvertes, contourner les manques scientifiques afin de converger vers le scénario de la vie du contact et le circuit tribologique.

Chapitre 3 Premiers corps