Introduction - Usure du Polytétrafluoroéthylène chargé

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

Introduction

L'étude de l'usure des segmentations de piston des compresseurs est fondamentale pour le compressoriste qui veut maîtriser et prédire et augmenter leur durée de vie, ce qui diminuera le coût d'exploitation d'un compresseur. Les gaz comprimés par ses compresseurs doivent être propres, donc sans trace d'huile, c'est pourquoi le contact entre la segmentation et le cylindre n'est pas lubrifié avec un troisième corps fluide qui bénéficie de modélisations (Reynolds) et d'un grand nombre d'étude.

Plusieurs démarches sont envisageables pour mener cette étude.

Une étude paramétrique des différents types de compresseurs, avec un plan d'expérience, demande d'avoir identifié les paramètres significatifs ayant une influence sur l'usure ce qui n'est pas le cas. Une telle étude est également coûteuse, car elle utilise plusieurs compresseurs, et longue, car la durée de vie d'un segment est d'environ 8000 heures.

Une étude de l'usure limitée aux matériaux en contact ne prendrait pas en compte les effets du mécanisme, tels que le mouvement réel des segments ou la géométrie du contact cylindre/segments.

La démarche retenue s'appuie sur le concept de triplet tribologique qui est composé du mécanisme (compresseur), des premiers corps (cylindre, segments) et du troisième corps (interface). Cette démarche a pour but d'identifier les conditions de contact et de déterminer les effets des différents éléments du triplet tribologique.

Le compressoriste possède une large gamme de compresseurs, il a donc paru nécessaire d'en choisir un et de mettre au point une méthodologie d'étude qui pourra ensuite être utilisée pour les autres types de compresseurs. Le choix s'est porté sur le premier étage d'un compresseur d'air, la segmentation étant en PTFE chargé et le cylindre en fonte. La segmentation comporte deux types de segments : les segments d'étanchéité et le segment porteur. L'usure des segments d'étanchéité entraîne une perte de rendement du compresseur, alors que celle du segment porteur met en péril le compresseur lorsque le piston entre en contact avec le cylindre. C'est donc sur le segment porteur que porte principalement cette étude. Le choix de ce compresseur découle directement de besoins industriels, en effet il représente la majorité de la production du compressoriste et est destiné au soufflage des bouteilles en PET.

D'un point de vue scientifique, une approche à partir du triplet tribologique permettra de mettre en évidence la contribution de chaque élément du triplet et de bâtir un modèle phénoménologique à partir des concepts de circuit tribologique de débits de troisième corps et de mécanismes d'accommodation de vitesse. Cette approche apporte une vue dynamique des phénomènes en abordant l'usure en terme de débit de troisième corps se rapprochant ainsi de la réalité tribologique d'un contact.

Dans le chapitre 1, le compresseur et la segmentation seront présentés ainsi que l'état des connaissances sur l'art de la segmentation du point de vue des compressoristes. Puis dans le chapitre 2, les outils tribologiques conceptuels seront appliqués à l'étude du contact entre le segment porteur et le cylindre. Dans les chapitres 3 et 4, les éléments du triplet tribologique (mécanisme, premiers corps, troisième corps) seront étudiés indépendamment. Enfin, dans le chapitre 5, les interactions entre les différents éléments du triplet et leur influence sur les débits de troisième corps aboutiront à la construction du circuit tribologique global.