Conclusion - Usure du Polytétrafluoroéthylène chargé

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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.

© Copyright Laurent Mahé