Руководство по тарельчатой пружине: кривые нагрузки, методы штабелирования и режим работы сальника клапана

Линия передачи с паровой рубашкой циклически переключается от температуры окружающей среды до 160°C четыре раза в день. При вводе в эксплуатацию сальниковые болты были затянуты в соответствии со спецификацией, однако к концу первой недели набивка начинает плакать. Ничего не оторвалось. Соединение просто укоротилось на несколько сотых миллиметра, поскольку прокладка и набивка ослабляются под воздействием тепла, и плоская шайба не может следовать этому движению. Банка пружин Belleville.

Именно это сочетание короткого хода и высокой силы является причиной того, что шайбы с коническими дисками появляются на крышках клапанов, фланцевых болтах, седлах в сборе и разгрузочных тримах гораздо чаще, чем указано в большинстве файлов по техническому обслуживанию. Их правильное решение сводится к нескольким измерениям и двум решениям по совмещению, и большинство сбоев на местах связано с тем, что одно из них было пропущено.

Что такое Бельвильская весна на самом деле

Пружина Бельвиля представляет собой пружину сжатия в форме шайбы, выполненную в виде мелкого усеченного конуса. При осевом нагружении конус сплющивается: отклонение диска обычно составляет менее миллиметра, а сила, которую он несет, велика для занимаемой им высоты. Большинство промышленных спецификаций соответствуют стандарту DIN 2093, который фиксирует размерный ряд, группы допусков по толщине и состояние материала.

Четыре значения описывают деталь: внешний диаметр, внутренний диаметр, толщина материала t и высота конуса h. Все остальное, включая форму кривой нагрузки и усталостные характеристики, вытекает из них.

Чтение кривой отклонения нагрузки перед выбором соотношения h/t

Отношение h/t определяет форму кривой прогиба нагрузки и, следовательно, работу, которую может выполнять пружина.

При h/t около 0,4 кривая близка к прямой: удвоение отклонения примерно удваивает силу. Это упрощает расчет размеров и подходит для болтовых соединений, где рабочий ход мал и известен заранее.

При h/t около 0,75 кривая выравнивается к середине своего хода. Сила меняется очень мало в полосе отклонения, ширина которой может составлять несколько десятых миллиметра, а это именно то, чего хочет сальник с постоянной нагрузкой: набивка расслабляется, диск слегка разгружается, а напряжение на набивке остается внутри ее уплотнительного окна, а не разрушается.

При значении примерно выше 1,3 кривая меняется, и диск переходит в отрицательную жесткость. Такое поведение реально и полезно в механизмах со смещением от центра, но оно рискованно при болте: диск, который прорывается, может перевернуться и потерять предварительную нагрузку за одно тепловое отклонение. Когда группа технического обслуживания сообщает, что стопка развалилась без видимой причины, проверьте h/t, прежде чем винить в этом процедуру затяжки.

Укладка: как последовательные и параллельные конфигурации меняют нагрузку и ход

Параллельная укладка умножает силу, а последовательная укладка умножает ход, и ни одна штабель не может сделать и то, и другое одновременно, не заплатив за это высотой.

Вложенные в одном направлении, n дисков ведут себя как один более жесткий элемент: сила увеличивается в n раз на один диск, а ход остается прежним. Поочередно вращаясь лицом к спине, одни и те же n дисков проходят расстояние в n раз большее, но несут только силу одного диска. Комбинированные группы, например, два параллельных набора, соединенных последовательно, умножают оба значения за счет более высокого кармана и большего количества трущихся интерфейсов.

Трение — тихая переменная. Каждый интерфейс между дисками теряет примерно от 2 до 5 процентов номинальной силы между ходом загрузки и разгрузки, поэтому стопка из десяти дисков может показывать заметный гистерезис, а сухая стопка может показывать показания значительно ниже каталожной кривой. Смазанные пакеты затягивают этот разброс, хотя смазка должна быть совместима с технологической жидкостью, если пружина находится внутри смачиваемой границы.

Где тарельчатые шайбы действительно работают в арматуре и трубопроводной арматуре

В узлах клапанов и трубопроводов тарельчатые пружины появляются в трех местах: болтовые соединения, которые подвергаются циклическому нагреву, сальники, которые должны выдерживать постоянное напряжение, и компоненты седла, которые требуют легкого и непрерывного нажатия.

• Сальник и капот находятся под постоянной нагрузкой. Короткая стопка под каждой гайкой сальника удерживает уплотняющее напряжение внутри узкой полосы при нагревании и охлаждении клапана. Два-четыре диска, установленных последовательно, обычно покрывают ход парового клапана.
• Фланцевые болтовые соединения. Несоответствие теплового расширения между трубой из углеродистой стали и шпильками из нержавеющей стали является классическим механизмом ослабления, и комплект дисков компенсирует это без необходимости использования более длинной шпильки.
• Электропитание сиденья. В шаровых и поворотных затворах легкий диск или волновая пружина прижимает седло к затвору при низком перепаде давления, затем технологическое давление принимает на себя уплотняющую нагрузку.
• Предварительная нагрузка привода и подшипника. В четвертьоборотных редукторах и электрических приводах используются небольшие стопки для устранения осевого люфта трансмиссии.
• Рельефная обшивка и пилотные ступени. Стабильность установленного давления зависит от постоянства жесткости пружины, а в некоторых пилотных конструкциях используются пакеты дисков, где винтовая пружина была бы слишком высокой.

Характер отказа, который чаще всего проявляется в высокотемпературных шаровых кранах, заключается в том, что седло уплотняется в холодном состоянии и плачет в горячем. Вставка седла растет, пружина под ней должна поглощать движение, а пружина меньшего размера или ослабленная пружина теряет контактное давление именно тогда, когда процесс достигает температуры. Для клапана, предназначенного для этой задачи, следует указать материал пружины седла и доступный ход, а не оставлять это для стандартной детали.

VaTTEN Пневматический высокотемпературный шаровой кран Высокотемпературный пневматический шаровой кран с удлиненным кронштейном и рассеиванием тепла, уместен, когда материал пружины седла и ход должны соответствовать тепловому движению. Посмотреть продукт →

Те же рассуждения применимы к шаровым кранам с металлическим седлом, работающим в абразивных условиях, где пружина седла должна одновременно выдерживать тепловое движение и попадание частиц. Наша собственная заметка о шаровые краны с металлическим седлом для экстремальных условий эксплуатации более подробно описывает путь загрузки.

Со стороны рельефа пружина является калибровочным элементом. Подпружиненный предохранительный клапан удерживает заданное давление только до тех пор, пока жесткость пружины остается стабильной, поэтому корпус пружины, ее направляющие и любые вспомогательные элементы диска заслуживают такого же внимания, как седло и диск.

Пружинный полноподъемный закрытый предохранительный клапан Пружинный предохранительный клапан для защиты от избыточного давления, с эксплуатационными пределами A42Y-C и A42Y-P/R и таблицами размеров PN/DN для выбора. Посмотреть продукт →

Детали материала, отделки и допусков, которые определяют срок службы

Марка материала, состояние кромки и предустановленная обработка определяют, выдержит ли диск миллион циклов или расколется при десяти тысячах, и они имеют большее значение, чем номинальная нагрузка по каталогу.

Четыре детали процесса несут большую часть оставшегося риска:

• Закругление кромок, которое удаляет острые углы, где обычно возникают усталостные трещины.
• Дробеструйная обработка, которая сжимает поверхность и заметно увеличивает усталостную долговечность велосипедных деталей.
• Предварительная настройка постоянной высоты, которая снимает остаточное напряжение и стабилизирует высоту конуса перед отправкой детали.
• Обработка поверхности, будь то фосфатирование, цинковые хлопья или ПТФЭ, выбрана как для контроля трения, так и для защиты от коррозии.

Практическая последовательность выбора

Работайте от нагрузки, которую должен выдерживать сустав, а не от ближайшей страницы каталога.

1. Определите диапазон нагрузки. Укажите минимальное напряжение, которое должно герметизировать соединение, и максимальное, которое может выдержать фурнитура, а затем укажите размер до середины этого окна.
2. Измерьте движение. Тепловое расширение, расслабление прокладки и сползание увеличивают ход, который должна поглотить пружина. Если число меньше 0,2 мм, обычно достаточно одного диска.
3. Выберите диск и соотношение. Выбирайте h/t около 0,4 для предсказуемой скорости или около 0,75, когда постоянная сила на протяжении всего хода имеет большее значение, чем жесткость.
4. Определитесь со стеком. Серия для перемещения, параллель для силы и комбинированные группы только тогда, когда это позволяет высота кармана.
5. Проверьте стресс и окружающую среду. Убедитесь, что расчетное напряжение находится ниже предела выносливости материала при рабочей температуре и что покрытие или смазка выдерживают воздействие технологической жидкости.

Часто задаваемые вопросы

Являются ли тарельчатые шайбы и тарельчатые пружины одним и тем же?

Да. Тарельчатая шайба, тарельчатая пружина и тарельчатая пружина описывают одну и ту же деталь с усеченным конусом, а в немецком стандарте DIN 2093 используется термин Tellerfeder. Именование зависит от региона и каталога поставщика, но размеры и поведение при нагрузке подчиняются одним и тем же правилам.

Может ли штабелирование одновременно поднять и груз, и перемещение?

Не с теми же дисками в простой стопке. Параллельные группы увеличивают силу, а последовательные группы увеличивают ход, поэтому для подъема обеих групп требуются объединенные группы и более высокий карман. Например, две параллельные пары, соединенные последовательно, удваивают оба значения по сравнению с одним диском, при четырехкратной установленной высоте.

Насколько трение в стопке является нормальным?

Примерно от 2 до 5 процентов номинальной силы на интерфейс в сухой трубе, что проявляется в разнице между кривой нагрузки и разгрузки. Смазка уменьшает разброс, и эффект достаточно мал для большинства болтовых соединений, если он учтен в расчете, а не обнаружен в процессе эксплуатации.

Требуется ли повторная затяжка тарельчатых пружин после установки?

Реже, чем плоские шайбы, но первый цикл нагрева все равно приводит в движение. Проверьте нагрузку на болты один раз после того, как система достигнет рабочей температуры, и еще раз через первую неделю; заранее заданный стек правильного размера обычно с этого момента держится в пределах нескольких процентов.