Usure du Polytétrafluoroéthylène
chargé :
approche par les débits de troisième
corps solide.
Application aux segments de piston de compresseur.
par Laurent Mahé
Conclusion
L'objectif industriel de cette étude est
de maîtriser et de prédire la durée de vie
tribologique des segments de piston d'un compresseur d'air. L'air
comprimé devant être propre, la lubrification fluide
des contacts segments/cylindre dans la chambre de compression
est à proscrire. Le problème tribologique étudié
s'inscrit donc dans le cas de la lubrification solide où,
contrairement à la lubrification fluide, aucun formalisme
applicable industriellement n'existe. Plusieurs démarches
sont alors possibles afin d'étudier ce problème
: la recherche d'une loi d'usure théorique ou empirique
à l'issue de nombreux essais, la recherche d'un matériau
répondant à la fois aux critères tribologiques
et d'industrialisation, et la recherche des phénomènes
entraînant l'usure dans le cas réel afin de pouvoir
les maîtriser.
Cette dernière démarche a été
retenue du fait des impasses auxquelles conduisent les deux premières.
En effet, malgré la prise en compte de nombreux paramètres,
les lois d'usure ne permettent pas encore de prendre en compte
la géométrie dynamique des contacts et l'interaction
entre des contacts multiples. Les démarches de tâtonnements
empiriques faisant varier uniquement les matériaux pour
diminuer leur taux d'usure peuvent s'avérer longues et
stériles si elles ne respectent pas rigoureusement les
conditions réelles de contact.
La démarche suivie prend donc en compte
l'ensemble du triplet tribologique composé du compresseur
(mécanisme), des premiers corps (segments/cylindre) et
du troisième corps, et aborde l'usure en terme de débits
de troisième corps. La particularité du système
tribologique étudié est la présence de trois
contacts segments/cylindre qui interagissent, ainsi la description
en terme de débits de troisième corps de ces interactions
s'éloigne fortement des démarches qui tentent d'établir
une loi d'usure ou de formuler un matériau possédant
a priori un faible taux d'usure.
L'étude du triplet tribologique a conduit
à la reconstitution du circuit tribologique global en se
fondant sur l'instrumentation dynamique du mécanisme, des
essais sur simulateurs dont des essais de visualisation "in
vivo" des débits, et des modélisations mécaniques
et thermiques. Ces différentes actions qui ont été
menées de front ont permis d'établir une équation
phénoménologique des débits de troisième
corps dans les contacts entre les segments et le cylindre et d'identifier
les paramètres mécaniques, matériaux et physicochimiques
qui les contrôlent. Le choix a été fait d'aborder
le problème dans sa généralité, c'est-à-dire
l'étude du triplet tribologique, pour cette raison certains
points particuliers, tel le rôle de l'humidité, n'ont
pu être verrouillés en trois ans.
Néanmoins, le circuit tribologique global
de ce système tribologique à trois contacts met
en évidence que ce qui est appelé classiquement
"l'usure des segments", c'est à dire l'activation
du débit source interne de troisième corps, dépend
directement de l'interaction des segments, car le débit
d'usure, véritable usure, ne s'effectue qu'au travers des
débits externes de troisième corps présent
sur le cylindre.
Industriellement, l'exploitation des résultats
issus de ce travail permet de structurer et de hiérarchiser
autour du triplet tribologique des constats et des faits qui concernent
la maintenance et la conception.
Plusieurs effets mécanisme conduisent à l'activation
du débit d'usure, d'une part le nombre et le positionnement
des segments sur le piston, d'autre part la géométrie
dynamique des contacts correspondant pour le segment porteur au
mésalignement entre le piston et le cylindre qui est imposé
par le système bielle-manivelle et la compression, auquel
s'ajoute pour les segments d'étanchéité le
mode de fonctionnement en charge ou à vide.
Les effets premier corps qui conduisent à l'activation
du débit d'usure sont d'une part la morphologie de surface
du cylindre qui contrôle le débit externe présent
sur le cylindre et d'autre part la nature physicochimique du cylindre
qui conditionne, avec l'environnement et le troisième corps,
la nature de l'écran présent sur le cylindre.
L'activation des différents débits est également
fortement liée à la nature du troisième corps
donc à sa rhéologie. Le troisième corps étant
issu des segments par l'intermédiaire du débit source,
sa composition donc sa rhéologie dépend de la composition
des premiers corps que sont les segments. L'addition de charges
au PTFE permet de modifier la rhéologie du troisième
corps. Le PTFE seul produit un troisième corps sous forme
de longs films continus qui ne peuvent pas assurer une bonne portance
du fait de leur géométrie, la présence du
graphite permet d'obtenir un troisième corps de répartition
plus discrète, l'accommodation et la portance étant
alors facilitées. Cette modification de rhéologie
conduit à une réduction d'échelle de l'accommodation
de vitesse et des débits de troisième corps.
Avec ces éléments et des expertises
tribologiques inspirées de ce travail, le compressoriste
pourra converger rapidement vers l'origine des avaries qui peuvent
survenir au niveau des contacts segments/cylindre et leur trouver
des solutions qui devront ensuite être prises en compte
dès la conception. En effet, c'est par ce retour d'expertise
sur site que le compressoriste pourra apporter des améliorations
tribologiques à son mécanisme, telles que des modifications
du guidage de la tige.
De plus, cette étude montre que le contrôle de l'état
de surface des cylindres par les critères de rugosité
classiques, tel que le $R_a$, est insuffisant pour la caractérisation
tribologique de la surface, une observation de sa morphologie
est nécessaire.
Cette étude permettra également au compressoriste
d'avoir un regard critique sur les matériaux que lui proposent
ses fournisseurs. La conception d'un simulateur, permettant de
reproduire les conditions mécaniques de charge, de vitesse
et de température et les conditions physicochimiques liées
à l'environnement, serait une aide précieuse au
choix de ces matériaux à condition que les résultats
des essais sur simulateurs soient corrélés avec
les résultats d'expertise sur compresseur. En effet, le
meilleur simulateur reste le mécanisme réel qu'est
le compresseur qui seul prend en compte les effets mécanisme
décrit précédemment.
Actuellement, la maîtrise complète des phénomènes
et leur modélisation sont encore hors de portée,
le meilleur atout du compressoriste reste encore son expérience
à condition qu'il respecte la démarche tribologique
qui a été suivie.
D'un point de vue purement scientifique, cette
étude permet par sa formulation en termes de débits
de troisième corps d'appréhender différemment
"l'usure des polymères" en se rapprochant de
la réalité tribologique d'un contact avec un premier
corps en polymère. En effet, bien que la littérature
regorge de publications de qualité sur ce thème,
l'usure y est toujours abordée en termes de détachement
de particules, c'est à dire en termes de débit source
de polymère sans se préoccuper du devenir de celui-ci.
De plus, la littérature souffre d'un vocabulaire statique
inadapté à la description des phénomènes
dynamiques qui ont lieu dans un contact. L'équation phénoménologique
des débits de troisième corps qui a été
établie, peut, contrairement aux lois d'usure, être
appliquée à tous les contacts avec un premier corps
en polymère vu qu'elle prend en compte les paramètres
mécaniques, matériaux et physicochimiques. En revanche,
cette équation reste malheureusement encore qualitative
et ne peut-être appliquée que par un tribologue averti
qui saura prendre en compte l'ensemble du triplet tribologique.
La modélisation dynamique de ce système
tribologique passe donc par la modélisation du mécanisme
afin de reproduire les sollicitations mécaniques qu'il
impose, la modélisation des premiers corps afin d'évaluer
leur réponse aux sollicitations du mécanisme et
la modélisation du troisième corps qui sous l'effet
du mécanisme et de la réponse des premiers corps
se déplace dans et hors du contact, le troisième
corps n'ayant pas, dans ce cas, d'influence sur le comportement
du mécanisme. En revanche, la modélisation des premiers
corps devra prendre en compte l'évolution de leur géométrie
sous l'action du débit source interne de troisième
corps. Le troisième corps de cette étude accommode
la vitesse de façon discrète en se cisaillant, il
serait donc possible d'écrire une équation type
"Reynolds" en y introduisant sa rhéologie mesurée
dans un rhéomètre à troisième corps
solide en cours de conception.
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