Guia da mola Belleville: curvas de carga, métodos de empilhamento e serviço da glândula da válvula

Uma linha de transferência com camisa de vapor circula da temperatura ambiente até 160°C quatro vezes ao dia. Os parafusos da gaxeta foram apertados conforme a especificação no comissionamento, mas no final da primeira semana a gaxeta está chorando. Nada se soltou. A junta simplesmente encurtou alguns centésimos de milímetro à medida que a gaxeta e a gaxeta relaxam sob o calor, e uma arruela plana não consegue acompanhar esse movimento. Uma lata de mola Belleville.

Essa mistura de curso curto e alta força é o motivo pelo qual as arruelas de disco cônico aparecem em castelos de válvulas, parafusos de flange, conjuntos de sedes e internos de alívio com muito mais frequência do que a maioria dos arquivos de manutenção registram. Acertá-los se resume a um punhado de dimensões e duas decisões de empilhamento, e a maioria das falhas de campo remonta a uma delas que foi ignorada.

O que realmente é uma primavera de Belleville

Uma mola Belleville é uma mola de compressão em forma de arruela formada como um tronco cônico raso. Carregado axialmente, o cone se achata: a deflexão por disco geralmente é bem inferior a um milímetro, enquanto a força que ele carrega é grande para a altura que ocupa. A maioria das especificações industriais segue a norma DIN 2093, que fixa as séries dimensionais, os grupos de tolerância de espessura e o estado do material.

Quatro valores descrevem a peça: diâmetro externo, diâmetro interno, espessura do material t e altura do cone h. Todo o resto, incluindo a forma da curva de carga e o comportamento à fadiga, decorre deles.

Lendo a curva carga-deflexão antes de escolher uma relação h/t

A relação h/t decide o formato da curva carga-deflexão e, portanto, o trabalho que a mola pode realizar.

Em h/t próximo de 0,4 a curva está próxima de uma linha reta: duplicar a deflexão aproximadamente duplica a força. Isso torna a aritmética de dimensionamento simples e adequada para juntas aparafusadas onde o curso de trabalho é pequeno e conhecido antecipadamente.

Em h/t próximo de 0,75, a curva se achata no meio de seu percurso. A força muda muito pouco através de uma faixa de deflexão que pode ter vários décimos de milímetro de largura, que é exatamente o que uma sobreposta sob carga dinâmica deseja: a gaxeta relaxa, o disco descarrega ligeiramente e a tensão na gaxeta permanece dentro de sua janela de vedação em vez de entrar em colapso.

Acima de aproximadamente 1,3, a curva inverte e o disco entra em rigidez negativa. Esse comportamento é real e útil em mecanismos acima do centro, mas é arriscado sob um parafuso: um disco que se rompe pode inverter e perder a pré-carga em uma única excursão térmica. Quando uma equipe de manutenção relatar que uma pilha ficou plana sem motivo aparente, verifique o h/t antes de culpar o procedimento de torque.

Empilhamento: como as configurações em série e paralelo alteram a carga e o deslocamento

O empilhamento paralelo multiplica a força e o empilhamento em série multiplica o deslocamento, e nenhuma pilha faz as duas coisas ao mesmo tempo sem pagar por isso em altura.

Aninhados na mesma direção, n discos se comportam como um elemento mais rígido: a força é n vezes um único disco enquanto o deslocamento permanece o mesmo. Alternados frente a frente, os mesmos n discos viajam n vezes mais longe, mas carregam apenas a força de um disco. Grupos combinados, dois conjuntos paralelos colocados em série, por exemplo, multiplicam ambos os valores, ao custo de um bolsão mais alto e de mais interfaces de fricção.

O atrito é a variável silenciosa. Cada interface disco-disco perde cerca de 2 a 5 por cento da força nominal entre o curso de carga e descarga, de modo que uma pilha de dez discos pode apresentar histerese perceptível e uma pilha seca pode ler bem abaixo da curva do catálogo. As pilhas lubrificadas apertam essa dispersão, embora o lubrificante deva ser compatível com o fluido do processo se a mola ficar dentro do limite molhado.

Onde as arruelas Belleville fazem um trabalho real em válvulas e tubulações

Em conjuntos de válvulas e tubulações, as molas Belleville aparecem em três locais: juntas aparafusadas que realizam ciclos de aquecimento, gaxetas que devem suportar tensão constante e componentes de sede que precisam de um empurrão leve e contínuo.

• Carregamento dinâmico da glândula e do capô. Uma pequena pilha sob cada porca de gaxeta mantém a tensão de empacotamento dentro de uma faixa estreita à medida que a válvula aquece e esfria. Dois a quatro discos em série geralmente cobrem o curso de uma válvula de vapor.
• Juntas aparafusadas por flange. A incompatibilidade de expansão térmica entre o tubo de aço carbono e os pinos inoxidáveis ​​é um mecanismo clássico de afrouxamento, e uma pilha de discos compensa sem a necessidade de um pino mais longo.
• Energização do assento. Nas válvulas esfera e borboleta, um disco leve ou mola ondulada pressiona a sede contra o fechamento com baixa pressão diferencial e, em seguida, a pressão do processo assume a carga de vedação.
• Pré-carga do atuador e do rolamento. As caixas de engrenagens de um quarto de volta e os atuadores elétricos usam pequenas pilhas para remover a folga axial do trem de força.
• Corte de relevo e estágios piloto. A estabilidade da pressão definida depende da taxa da mola permanecer constante, e alguns projetos piloto usam pilhas de discos onde uma mola helicoidal ficaria muito alta.

O padrão de falha que aparece com mais frequência em válvulas esfera de alta temperatura é uma sede que veda a frio e vaza a quente. A inserção da sede cresce, a mola abaixo dela precisa absorver o movimento e uma mola subdimensionada ou relaxada perde pressão de contato exatamente quando o processo atinge a temperatura. Uma válvula construída para essa função deve especificar o material da mola da sede e o curso disponível, em vez de deixá-lo para uma peça genérica.

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O mesmo raciocínio se aplica às válvulas esfera com sede metálica em serviços abrasivos, onde a mola da sede tem que sobreviver ao movimento térmico e à entrada de partículas ao mesmo tempo. Nossa própria nota sobre válvulas de esfera com sede metálica em condições operacionais extremas percorre o caminho de carga com mais detalhes.

No lado do relevo, a mola é o elemento de calibração. Uma válvula de segurança com mola mantém sua pressão de ajuste apenas enquanto a taxa da mola permanecer estável, de modo que o alojamento da mola, suas guias e quaisquer elementos auxiliares do disco merecem o mesmo exame que a sede e o disco.

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Detalhes de material, acabamento e tolerância que decidem a vida útil

A qualidade do material, a condição da borda e o tratamento predefinido decidem se um disco sobrevive a um milhão de ciclos ou racha a dez mil, e são mais importantes do que a classificação de carga do catálogo.

Quatro detalhes do processo carregam a maior parte do risco restante:

• Arredondamento de arestas, que remove os cantos vivos onde normalmente começam as fissuras por fadiga.
• Shot peening, que coloca a superfície em compressão e aumenta visivelmente a resistência à fadiga em peças de ciclismo.
• Predefinição para altura sólida, que remove a tensão residual e estabiliza a altura do cone antes da peça ser enviada.
• Tratamento de superfície, seja fosfatação, flocos de zinco ou PTFE, escolhido tanto para controle de atrito quanto para corrosão.

Uma sequência de seleção prática

Trabalhe a partir da carga que a junta deve manter, e não da página do catálogo mais próxima.

1. Defina a faixa de carga. Indique a tensão mínima que a junta precisa para vedar e a tensão máxima que a ferragem pode suportar e, em seguida, dimensione para o meio da janela.
2. Meça o movimento. A expansão térmica, o relaxamento da junta e a fluência somam-se ao deslocamento que a mola deve absorver. Se o número for inferior a 0,2 mm, um único disco normalmente é suficiente.
3. Escolha o disco e a proporção. Escolha h/t próximo de 0,4 para uma taxa previsível ou próximo de 0,75 quando a força constante ao longo do deslocamento for mais importante do que a rigidez.
4. Decida a pilha. Série para deslocamento, paralela para força e grupos combinados somente quando a altura do bolsão permitir.
5. Verifique o estresse e o ambiente. Confirme se a tensão calculada está abaixo do limite de fadiga do material na temperatura operacional e se o revestimento ou lubrificante sobrevive ao fluido do processo.

Perguntas frequentes

As arruelas Belleville e as molas prato são a mesma coisa?

Sim. A arruela Belleville, a mola de disco cônico e a mola de disco descrevem a mesma peça de cone truncado, e o padrão alemão DIN 2093 usa o termo Tellerfeder. A nomenclatura varia de acordo com a região e o catálogo do fornecedor, mas as dimensões e o comportamento da carga seguem as mesmas regras.

O empilhamento pode elevar a carga e o deslocamento ao mesmo tempo?

Não com os mesmos discos em uma pilha simples. Grupos paralelos multiplicam a força e grupos em série multiplicam o deslocamento, portanto, elevar ambos requer grupos combinados e um bolso mais alto. Dois pares paralelos colocados em série, por exemplo, duplicam ambos os valores em comparação com um único disco, a quatro vezes a altura instalada.

Quanto atrito é normal em uma pilha?

Aproximadamente 2 a 5 por cento da força nominal por interface em uma pilha seca, o que aparece como uma diferença entre a curva de carga e descarga. A lubrificação reduz a dispersão e o efeito é pequeno o suficiente para a maioria das juntas aparafusadas, uma vez que é contabilizado no cálculo e não descoberto em serviço.

As molas prato precisam de reaperto após a instalação?

Com menos frequência do que arruelas planas, mas o primeiro ciclo de calor ainda move as coisas. Verifique a carga do parafuso uma vez após o sistema atingir a temperatura operacional e novamente após a primeira semana; uma pilha predefinida e de tamanho correto normalmente se mantém dentro de alguns por cento a partir de então.