Guida alle molle Belleville: curve di carico, metodi di impilamento e funzionamento del premistoppa

Una linea di trasferimento rivestita di vapore passa dalla temperatura ambiente a 160 C quattro volte al giorno. I bulloni del premistoppa sono stati serrati secondo le specifiche al momento della messa in servizio, ma entro la fine della prima settimana la baderna trasuda. Niente si è allentato. Il giunto si è semplicemente accorciato di qualche centesimo di millimetro poiché la guarnizione e la guarnizione si rilassano sotto il calore e una rondella piatta non può seguire quel movimento. Una lattina primaverile di Belleville.

Questo mix di corsa breve e forza elevata è il motivo per cui le rondelle a disco conico compaiono sui coperchi delle valvole, sui bulloni delle flange, sui gruppi delle sedi e sui rivestimenti di scarico molto più spesso di quanto riportato dalla maggior parte dei file di manutenzione. Farli correttamente si riduce a una manciata di dimensioni e a due decisioni di impilamento, e la maggior parte degli errori sul campo sono riconducibili a uno di quelli saltati.

Che cos'è in realtà la primavera di Belleville

Una molla Belleville è una molla di compressione a forma di rondella formata come un tronco di cono poco profondo. Caricato assialmente, il cono si appiattisce: la deflessione per disco è solitamente ben inferiore al millimetro, mentre la forza che trasporta è grande per l'altezza che occupa. La maggior parte delle specifiche industriali seguono la norma DIN 2093, che fissa le serie dimensionali, i gruppi di tolleranza dello spessore e le condizioni del materiale.

Quattro valori descrivono la parte: diametro esterno, diametro interno, spessore del materiale t e altezza del cono h. Tutto il resto, compresa la forma della curva di carico e il comportamento a fatica, ne consegue.

Leggere la curva carico-deflessione prima di scegliere un rapporto h/t

Il rapporto h/t decide la forma della curva carico-deflessione e quindi il lavoro che la molla può svolgere.

A h/t vicino a 0,4 la curva è vicina a una linea retta: raddoppiando la deflessione si raddoppia all'incirca la forza. Ciò semplifica l'aritmetica del dimensionamento e si adatta ai giunti bullonati in cui la corsa di lavoro è ridotta e nota in anticipo.

A h/t vicino a 0,75 la curva si appiattisce a metà della sua corsa. La forza cambia molto poco attraverso una banda di deflessione che può essere larga diversi decimi di millimetro, che è esattamente ciò che vuole una ghiandola sotto carico: la baderna si rilassa, il disco si scarica leggermente e lo stress sulla baderna rimane all'interno della sua finestra di tenuta invece di collassare.

Al di sopra di circa 1,3 la curva si inverte e il disco entra in rigidezza negativa. Questo comportamento è reale e utile nei meccanismi over-center, ma è rischioso sotto un bullone: ​​un disco che scatta può invertirsi e perdere il precarico in una singola escursione termica. Quando una squadra di manutenzione segnala che una pila si è appiattita senza una ragione visibile, controllare l'h/t prima di incolpare la procedura di coppia.

Impilamento: come le configurazioni in serie e in parallelo modificano il carico e la corsa

L'impilamento parallelo moltiplica la forza e l'impilamento in serie moltiplica la corsa, e nessuno stack fa entrambe le cose contemporaneamente senza pagarlo in altezza.

Annidati nella stessa direzione, n dischi si comportano come un elemento più rigido: la forza è n volte quella di un singolo disco mentre la corsa rimane la stessa. Alternati faccia a dietro, gli stessi n dischi percorrono n volte la distanza ma trasportano solo la forza di un disco. Gruppi combinati, ad esempio due insiemi paralleli posti in serie, moltiplicano entrambi i valori, al costo di una tasca più alta e di più interfacce di attrito.

L'attrito è la variabile silenziosa. Ciascuna interfaccia disco-disco perde circa dal 2 al 5% della forza nominale tra la corsa di carico e quella di scarico, quindi uno stack di dieci dischi può mostrare un'isteresi notevole e uno stack asciutto può leggere ben al di sotto della curva del catalogo. I sistemi lubrificati riducono tale dispersione, sebbene il lubrificante debba essere compatibile con il fluido di processo se la molla si trova all'interno del confine bagnato.

Dove le rondelle Belleville svolgono un vero lavoro nell'hardware di valvole e tubazioni

Nei gruppi di valvole e tubazioni, le molle Belleville compaiono in tre punti: giunti bullonati che si riscaldano, premistoppa che devono sostenere una sollecitazione costante e componenti della sede che necessitano di una spinta leggera e continua.

• Caricamento live di premistoppa e coperchio. Una pila corta sotto ciascun dado premistoppa mantiene lo stress da impaccamento all'interno di una fascia stretta mentre la valvola si riscalda e si raffredda. Da due a quattro dischi in serie solitamente coprono la corsa di una valvola del vapore.
• Giunti flangiati bullonati. La mancata corrispondenza dell'espansione termica tra il tubo in acciaio al carbonio e i prigionieri in acciaio inossidabile è un classico meccanismo di allentamento e una pila di dischi compensa senza bisogno di un prigioniero più lungo.
• Energizzazione del sedile. Nelle valvole a sfera e a farfalla, un disco leggero o una molla ondulata preme la sede contro la chiusura a bassa pressione differenziale, quindi la pressione di processo assume il carico di tenuta.
• Precarico attuatore e cuscinetto. I riduttori a quarto di giro e gli attuatori elettrici utilizzano piccole pile per rimuovere il gioco assiale dalla trasmissione.
• Assetto in rilievo e stadi pilota. La stabilità della pressione impostata dipende dal fatto che la rigidità della molla rimanga costante e alcuni progetti pilota utilizzano pile di dischi dove una molla elicoidale sarebbe troppo alta.

Il modello di guasto che si manifesta più spesso nelle valvole a sfera ad alta temperatura è una sede che sigilla il freddo e trasuda il caldo. L'inserto del sedile cresce, la molla sottostante deve assorbire il movimento e una molla sottodimensionata o rilassata perde la pressione di contatto proprio quando il processo raggiunge la temperatura. Una valvola costruita per questo compito dovrebbe specificare il materiale della molla della sede e la corsa disponibile anziché affidarla a un componente generico.

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Lo stesso ragionamento si applica alle valvole a sfera con sede metallica in servizio abrasivo, dove la molla della sede deve sopravvivere contemporaneamente al movimento termico e all'ingresso di particelle. La nostra nota su valvole a sfera con sede metallica in condizioni operative estreme percorre il percorso di carico in modo più dettagliato.

Dal lato scarico, la molla è l'elemento di calibrazione. Una valvola di sicurezza caricata a molla mantiene la pressione impostata solo finché la rigidità della molla rimane stabile, quindi l'alloggiamento della molla, le sue guide e tutti gli elementi ausiliari del disco meritano lo stesso esame della sede e del disco.

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Dettagli su materiali, finiture e tolleranze che determinano la durata

La qualità del materiale, le condizioni dei bordi e il trattamento preimpostato determinano se un disco sopravvive a un milione di cicli o si rompe a diecimila, e contano più del coefficiente di carico del catalogo.

Quattro dettagli del processo comportano la maggior parte del rischio rimanente:

• Arrotondamento del bordo, che rimuove lo spigolo vivo dove normalmente iniziano le cricche da fatica.
• La pallinatura, che comprime la superficie e aumenta notevolmente la resistenza alla fatica sulle parti ciclistiche.
• Preimpostazione ad altezza solida, che rimuove lo stress residuo e stabilizza l'altezza del cono prima della spedizione della parte.
• Trattamento superficiale, sia esso fosfatazione, zinco lamellare o PTFE, scelto sia per il controllo dell'attrito che della corrosione.

Una pratica sequenza di selezione

Lavorare dal carico che il giunto deve sostenere, non dalla pagina del catalogo più vicina.

1. Definire la fascia di carico. Indica la sollecitazione minima che il giunto deve sigillare e la massima che l'hardware può sopportare, quindi dimensiona al centro di quella finestra.
2. Misura il movimento. La dilatazione termica, il rilassamento della guarnizione e lo scorrimento si sommano alla corsa che la molla deve assorbire. Se il numero è inferiore a 0,2 mm, di solito è sufficiente un solo disco.
3. Scegli il disco e il rapporto. Scegliere h/t vicino a 0,4 per una velocità prevedibile o vicino a 0,75 quando la forza costante lungo la corsa conta più della rigidità.
4. Decidi la pila. Serie per corsa, parallelo per forza e gruppi combinati solo quando l'altezza della tasca lo consente.
5. Controllare lo stress e l'ambiente. Confermare che la sollecitazione calcolata sia inferiore al limite di fatica per il materiale alla temperatura operativa e che la placcatura o il lubrificante sopravvivano al fluido di processo.

Domande frequenti

Le rondelle Belleville e le molle a disco sono la stessa cosa?

SÌ. La rondella Belleville, la molla a disco conico e la molla a disco descrivono tutte la stessa parte troncoconica e la norma tedesca DIN 2093 utilizza il termine Tellerfeder. La denominazione varia in base alla regione e al catalogo del fornitore, ma le dimensioni e il comportamento del carico seguono le stesse regole.

Lo stoccaggio può sollevare sia il carico che viaggiare contemporaneamente?

Non con gli stessi dischi in una semplice pila. I gruppi paralleli moltiplicano la forza e i gruppi in serie moltiplicano la corsa, quindi per sollevarli entrambi sono necessari gruppi combinati e una tasca più alta. Due coppie parallele poste in serie, ad esempio, raddoppiano entrambi i valori rispetto a un disco singolo, a quattro volte l'altezza installata.

Quanto attrito è normale in una pila?

Circa dal 2 al 5% della forza nominale per interfaccia su una pila a secco, che si manifesta come differenza tra la curva di carico e quella di scarico. La lubrificazione riduce la dispersione e l'effetto è sufficientemente piccolo per la maggior parte dei giunti bullonati una volta che viene preso in considerazione nel calcolo piuttosto che scoperto in servizio.

Le molle a tazza devono essere serrate nuovamente dopo l'installazione?

Meno spesso delle lavatrici, ma il primo ciclo termico muove comunque le cose. Controllare il carico dei bulloni una volta dopo che il sistema ha raggiunto la temperatura operativa e di nuovo dopo la prima settimana; uno stack preimpostato e di dimensioni corrette normalmente rimane entro una piccola percentuale da quel momento in poi.