Joint Glyd Ring et joint à étape dans les vérins hydrauliques de foreuses à roche : fonctionnement et choix d’un remplacement

Derrière le système d’alimentation, la flèche et les autres actionneurs hydrauliques de chaque foreuse à roche se trouvent deux types de joints dont les conceptions sont presque identiques à première vue, mais qui remplissent des fonctions différentes, dans des endroits différents et pour des raisons différentes : le joint Glyd Ring et le joint Step Seal. Tous deux combinent une bague en PTFE résistante à l’usure et un élastomère Joint torique situé en dessous, et ensemble, ils comptent parmi les joints de tige et de piston les plus couramment utilisés dans les vérins hydrauliques modernes. Cet article explique précisément le fonctionnement de ces joints compacts, les emplacements où ils sont utilisés sur une foreuse à roche, comment détecter une défaillance, ainsi que les éléments à vérifier avant de commander un remplacement.

Quels sont les joints Glyd Ring et Step Seal ?

Une bague Glyd Ring et un joint Step Seal sont tous deux des exemples de ce que l’industrie du jointage appelle un joint compact ou un joint en PTFE à renforcement par joint torique : une bague rigide en PTFE à faible frottement, soutenue par un joint torique en caoutchouc qui la précharge contre la surface appariée. C’est la bague en PTFE qui entre effectivement en contact avec l’alésage du cylindre ou avec la tige du piston et assure l’étanchéité ; le joint torique situé en dessous fournit la pression élastique que le PTFE, pris isolément, ne peut pas fournir, car le PTFE ne reprend pas sa forme initiale comme le caoutchouc une fois comprimé.

Les dénominations « Glyd Ring » et « Step Seal » ont d’abord été des marques déposées par des fabricants, mais elles sont aujourd’hui utilisées de façon généralisée dans toute l’industrie, de la même manière que le terme « O-ring » est devenu générique. Dans les catalogues de pièces en langue chinoise, ces deux types de joints sont fréquemment regroupés sous le terme générique ge Lai Quan (Glyd ring), tandis que si Te Feng (Step Seal) désigne spécifiquement la variante destinée à l’étanchéité de la tige.

Quelle est la différence entre une Glyd Ring et un Step Seal ?

Les deux conceptions sont destinées à des fonctions opposées sur le même vérin. Une bague Glyd possède un profil symétrique et rectangulaire, ce qui lui permet d’assurer une étanchéité équivalente quelle que soit la face d’où provient la pression — exactement ce dont un joint piston a besoin, puisque la pression hydraulique alterne entre les deux faces du piston lorsque le vérin s’étend et se rétracte. Un joint à pas possède un profil asymétrique en escalier, conçu pour assurer l’étanchéité dans un seul sens, adapté à la fonction réelle d’un joint tige : retenir l’huile sous pression à l’intérieur du vérin pendant que la tige entre et sort.

Un moyen simple de retenir la distinction : la bague Glyd est montée sur le piston (joint de chemise, étanchéité bidirectionnelle), tandis que le joint à pas est monté sur la tige (joint de tige, étanchéité unidirectionnelle). Tous deux utilisent la même structure fondamentale composée de PTFE renforcé par un joint torique, ce qui explique pourquoi ils sont si souvent évoqués conjointement, bien qu’ils occupent des positions différentes dans le même vérin.

Photo 1 : comparaison des profils de la bague Glyd et du joint à pas

Comment le joint torique énergiseur permet-il à un joint en PTFE d’assurer effectivement l’étanchéité ?

Le PTFE est prisé pour l’étanchéité en raison de son frottement très faible ainsi que de son excellente résistance chimique et à l’usure, mais il ne possède pratiquement aucune mémoire élastique lorsqu’il est utilisé seul : une fois comprimé, il reste comprimé au lieu de reprendre sa forme initiale pour maintenir la pression de contact. Un joint torique en caoutchouc placé derrière la bague en PTFE résout ce problème en jouant le rôle de ressort : il pousse continuellement la bague en PTFE vers l’extérieur (dans le cas d’un joint Glyd Ring logé dans une gorge cylindrique) ou vers l’intérieur (dans le cas d’un joint de tige), maintenant ainsi un contact ferme entre la bague d’usure et la surface mobile, même lorsque le PTFE s’use progressivement avec le temps.

Cette répartition des fonctions confère aux joints compacts leur comportement caractéristique : la surface de glissement à faible frottement et à faible phénomène de stick-slip offerte par le PTFE, combinée à la capacité du joint torique à ajuster en continu la force de contact du joint lorsque les jeux varient et que la bague d’usure s’use progressivement. La perte de la fonction du joint torique — due à sa propre dégradation — entraîne la défaillance du joint, même si la bague en PTFE elle-même paraît encore intacte.

L’essai fondamental que tout joint de ce type doit réussir, quelle que soit la pression de fonctionnement, consiste à garantir que la pression de contact entre la bague en PTFE et la surface mobile reste supérieure à la pression du fluide qu’il retient. Des études par éléments finis portant sur les joints Glyd Ring confirment directement ce principe : la pression de contact maximale augmente simultanément avec la pression du fluide et demeure supérieure à celle-ci sur toute la plage testée, ce qui constitue la condition essentielle empêchant toute fuite. Ces mêmes études révèlent également à quel point les performances du joint dépendent précisément de son profil géométrique — dans une étude systématique, les meilleures performances d’étanchéité sous haute pression n’ont été obtenues que dans des plages géométriques relativement étroites, de l’ordre de quelques dixièmes de millimètre pour le rayon de la lèvre et de quelques degrés pour l’angle latéral du joint — ce qui explique en grande partie pourquoi les profils Glyd Ring et Step Seal ne doivent pas être approximés à partir d’une pièce présentant une apparence similaire.

Il est également utile de comprendre qu’un joint alternatif ne constitue pas une barrière parfaitement étanche, même lorsqu’il fonctionne exactement comme prévu ; cela revêt de l’importance pour déterminer si une faible fuite observée au niveau de la tige constitue réellement un problème. La théorie de la lubrification fondée sur l’équation de Reynolds, utilisée pour modéliser le mince film fluide entre la lèvre du joint et la surface mobile, montre qu’un joint alternatif transporte un film fluide vers l’extérieur lors d’un aller et ramène un film fluide lors du retour ; la fuite nette par cycle est proportionnelle à la différence entre ces deux épaisseurs de film, laquelle dépend à son tour du gradient de pression du côté fluide par rapport au côté air à chaque extrémité de la course. Un profil de joint conçu pour accentuer le gradient de pression du côté fluide et l’aplanir du côté air ramènera plus de fluide qu’il n’en laisse échapper, s’approchant ainsi d’une fuite nette quasi nulle sur un cycle complet ; un profil mal adapté produit l’effet inverse. Cela fait partie du fondement théorique expliquant pourquoi de faibles modifications de profil, mesurées en dixièmes de millimètre et mentionnées ci-dessus, peuvent avoir un effet disproportionné sur la fuite mesurée.

Où les joints Glyd Ring et les joints à étapes sont-ils utilisés sur les installations de forage rocheux ?

Sur une installation de forage rocheux, les joints de type Glyd Ring et à étapes se trouvent le plus couramment dans les vérins hydrauliques qui déplacent l’équipement autour du foret lui-même, plutôt que dans le mécanisme de percussion de l’unité de forage rocheux : les vérins d’alimentation qui avancent et reculent le foret le long de son rail de guidage, les vérins de bras et de rotation qui positionnent le foret au-dessus du trou, ainsi que des vérins actionneurs similaires situés ailleurs sur le porteur. Ces vérins subissent le même service alterné en double effet sous pression pour lequel les joints Glyd Ring et à étapes ont été conçus.

Comme les vérins d’alimentation, en particulier, effectuent des cycles constants pendant un poste de forage et fonctionnent dans un environnement poussiéreux et chargé en débris, leurs joints de piston et de tige comptent parmi les éléments d’usure les plus fréquemment remplacés du côté installation d’une opération de forage rocheux, à distinguer des pièces d’usure du côté percussion, telles que la membrane de l’accumulateur ou le joint à coupe évoqués ailleurs.

Que se passe-t-il lorsqu’un joint Glyd ou un joint à étapes tombe en panne ?

Lorsque la bague d’usure en PTFE s’use jusqu’à la perforation, ou lorsque l’anneau élastique en caoutchouc perd son élasticité, le joint ne parvient plus à maintenir une pression de contact suffisante contre l’alésage ou la tige afin de retenir la pression hydraulique. Le résultat pratique est soit une fuite interne au niveau du piston (ce qui se traduit par une perte de force de maintien ou un déplacement progressif du vérin sous charge), soit une fuite externe au niveau du joint de tige (écoulement d’huile visible sur la tige, notamment après une période d’inactivité suivie d’une mise sous pression du vérin).

Comme la bague en PTFE et l’anneau élastique en caoutchouc peuvent tomber en panne indépendamment l’un de l’autre — un anneau élastique durci et fissuré peut compromettre une bague en PTFE encore fonctionnelle, tandis qu’une bague en PTFE usée jusqu’à la perforation peut exposer un anneau élastique en bon état à une usure directe — le remplacement d’un kit de joints concerne généralement les deux composants simultanément, plutôt que de les traiter comme des pièces détachées séparées.

Photo 2 : Joint en PTFE usé et anneau élastique en caoutchouc usé

Comment savoir si le joint de votre vérin est défectueux ?

Un joint Glyd Ring ou un joint à étapes défectueux se manifeste généralement par l’un ou plusieurs des symptômes suivants :

• Le vérin perd sa force de maintien ou présente un déplacement lent (« creep ») sous charge alors qu’il devrait rester immobile.
• Fuites d’huile visibles au niveau du joint de tige, particulièrement évidentes après que la machine ait été à l’arrêt sous pression.
• Mouvement du vérin plus lent ou moins régulier, surtout au début de la course.
• Contamination ou décoloration de l’huile hydraulique due à un joint racleur qui n’exclut plus efficacement la poussière et les débris.
• Un vérin qui semble « mou » ou qui perd de sa précision en positionnement, ce qui est cohérent avec un contournement interne au niveau du joint de piston.

Le tableau ci-dessous relie ces symptômes aux causes probables et indique une première vérification logique.

Quelles sont les causes de l’usure prématurée de ces joints ?

Plusieurs conditions réduisent fortement la durée de vie des joints Glyd Ring et des joints à étape, bien en dessous de leur potentiel nominal :

• Huile hydraulique contaminée contenant des particules abrasives, ce qui accélère l’usure de la surface glissante de la bague en PTFE.
• Alésage de cylindre ou surface de tige rayée, piquetée ou corrodée, que la bague en PTFE ne peut pas compenser entièrement, quelle que soit la qualité de son positionnement.
• Matériau de l’énergiseur en O-ring incompatible avec le fluide hydraulique utilisé, provoquant un gonflement, un durcissement ou une perte d’élasticité plus rapide que prévu.
• Installation incorrecte, notamment le montage d’un joint à étape dans le mauvais sens, ce qui annule dès le départ sa conception d’étanchéité unidirectionnelle.
• Températures élevées prolongées dépassant la plage nominale de l’énergiseur en O-ring, car la bague en PTFE elle-même résiste bien à la chaleur, tandis que l’énergiseur en caoutchouc situé en dessous constitue généralement l’élément le plus fragile.

Pourquoi l’orientation d’installation est-elle si importante pour un joint à marche ?

Le profil symétrique d’un joint Glyd Ring rend pratiquement impossible une installation inversée ; il assure l’étanchéité de la même manière, quelle que soit son orientation. À l’inverse, le profil asymétrique en forme de marche d’un joint à marche est spécifiquement conçu pour assurer l’étanchéité dans un seul sens : si on l’installe à l’envers, le côté basse pression du joint fait alors face à l’huile sous pression qu’il devrait retenir.

Un joint à marche installé dans le mauvais sens peut sembler fonctionner brièvement, car l’anneau O énergiseur continue d’exercer une certaine force d’étanchéité ; toutefois, il se détériore généralement bien avant la fin de sa durée de service nominale et peut céder d’une manière qui ressemble exactement à une usure normale. C’est pourquoi il convient de vérifier deux fois l’orientation d’installation conformément aux instructions de montage du fabricant chaque fois qu’un joint d’arbre est remplacé, sans jamais se contenter de déduire cette orientation à partir de la forme de la gorge.

Les joints à marche présentent également une caractéristique de fuite dépendante de la pression, documentée et utile à connaître avant de diagnostiquer un joint comme « défaillant ». Des recherches classiques sur le comportement des joints à marche décrivent quatre zones au fur et à mesure que la pression du système augmente : une zone sous-joint à très basse pression (environ 0 à 0,6 MPa), où les fuites sont négligeables ; une zone d’instabilité (environ 0,6 à 1,5 MPa), où la bague coulissante peut momentanément flotter et où le frottement chute jusqu’à un minimum local, augmentant temporairement les fuites internes bien qu’aucune défaillance réelle ne se soit produite ; une zone de joint normal (environ 3 à 32 MPa, selon la conception), couvrant la plupart des pressions de fonctionnement réelles, où les performances d’étanchéité sont bonnes et stables ; et une zone de défaillance d’étanchéité au-delà de la pression nominale du joint, où l’étanchéité cesse définitivement. Comme la zone d’instabilité se situe nettement en dessous de la pression de fonctionnement normale sur la plupart des vérins, elle provoque rarement des problèmes en pratique. Toutefois, certaines conceptions devant nécessairement la traverser — par exemple lors d’une montée lente de pression — le font parfois délibérément de façon rapide, ou associent un joint à marche à un second joint d’un type différent afin que leurs plages de pression instables ne se chevauchent pas. C’est l’une des raisons pour lesquelles les kits d’étanchéité multi-composants, plutôt qu’une simple bague, constituent la spécification habituelle pour une position de joint d’arbre.

Photo 3 : Orientation d’installation du joint Step Seal .

Comment choisir le bon joint Glyd Ring ou Step Seal de remplacement ?

Une fois la défaillance confirmée, trois facteurs déterminent le joint de remplacement approprié :

• Une correspondance dimensionnelle exacte avec le diamètre de l’alésage ou de la tige du vérin et avec le profil de la gorge, car les joints Glyd Ring et Step Seal sont dimensionnés et profilés spécifiquement pour chaque conception de vérin.
• Un composé en PTFE et un élastomère d’activation (O-ring) adaptés aux charges, vitesses et fluides hydrauliques de l’application, ce qui est développé plus en détail dans un article complémentaire consacré aux matériaux utilisés dans ces joints.
• L’approvisionnement d’une paire appariée (joint en PTFE + élastomère d’activation) plutôt que le mélange de composants provenant de fournisseurs différents, car les deux éléments sont conçus pour fonctionner ensemble avec un ajustement et une précharge spécifiques.

Photo 4 : Disposition préalable à l’installation du kit de joints de remplacement

Où trouver des joints de remplacement fiables ?

Comme les dimensions des joints Glyd Ring et Step Seal sont spécifiques au diamètre intérieur ou extérieur de chaque vérin ainsi qu’à la conception de la gorge, leur approvisionnement repose sur la recherche d’un fournisseur capable de reproduire exactement ces dimensions et de recommander une combinaison appropriée de PTFE et de joint torique pour l’application concernée, plutôt que sur un composant de taille générique.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, fabricant chinois de joints fondé en 2013, produit des éléments d’étanchéité en PU, en caoutchouc et en PTFE, notamment des joints de piston et des joints de tige de type Glyd Ring et Step Seal utilisés dans les vérins hydrauliques destinés aux équipements de forage rocheux, de construction et d’excavation ; l’entreprise affirme offrir gratuitement un soutien technique afin d’aider à confirmer les dimensions exactes et la combinaison de matériaux adaptées à un vérin donné avant toute commande.

Si vous ne savez pas quelle garniture convient à votre vérin, fournir à un fournisseur les diamètres de l’alésage et de la tige du vérin, les dimensions de la gorge ainsi que vos conditions de fonctionnement habituelles (pression, vitesse, type de fluide hydraulique et température) constitue la méthode la plus fiable pour obtenir une garniture adaptée et performante.

Photo 5 : Kit de garnitures emballé pour expédition

1. Dai L. « Optimisation et étude expérimentale des performances d’étanchéité des bagues Glyd à mouvement alternatif hydraulique. » Mémoire de master, Université Jiangnan, 2025.
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