Il carico della molla è la forza applicata dalla molla della tenuta meccanica per mantenere premute insieme le due superfici di tenuta. Questa pressione impedisce la fuoriuscita di fluido dalla pompa o dalle apparecchiature rotanti.
Immaginala come una stretta di mano. Se è troppo debole, non riesci a tenere la mano. Se è troppo forte, potresti ferire qualcuno. La molla di tenuta ha bisogno della giusta pressione per creare una tenuta affidabile senza causare danni.
La primavera nel tuo tenuta meccanica Ha un compito fondamentale: mantenere un contatto costante tra la superficie rotante e quella fissa. Anche quando l'albero ruota a migliaia di giri al minuto, anche quando i componenti si usurano nel tempo e anche quando le temperature cambiano durante il funzionamento, la molla mantiene unite le due superfici.
Quali sono le formule chiave per calcolare il carico della molla?
Il calcolo del carico della molla per le tenute meccaniche si basa su quattro formule principali. Le utilizzerai per determinare la corretta pressione della molla, verificare la compressione e comprendere le forze che agiscono sulla tenuta.
Fase 1: comprendere i valori standard del settore
Il settore delle tenute meccaniche utilizza due valori critici di carico della molla, validi per la maggior parte delle applicazioni. Questi sono i valori di riferimento.
Nuovo carico della molla di tenuta: 30 psi (2 kg/cm²)
Questa è la pressione della molla che dovresti avere quando installi una nuova guarnizione con superfici non usurate. A 30 psi, la molla fornisce una forza sufficiente a mantenere il contatto con le superfici durante l'avvio, il normale funzionamento e le vibrazioni moderate.
Carico minimo della guarnizione usurata: 10 psi (0.7 kg/cm²)
Questa è la pressione minima assoluta necessaria una volta che le superfici di tenuta sono usurate. Al di sotto di 10 psi, le normali vibrazioni della pompa possono superare la forza della molla e aprire le superfici di tenuta, causando perdite.
Fase 2: Calcolo della forza di base
Formula: Pressione × Area = Forza
Oppure riorganizzato: Pressione = Forza ÷ Area
Questa formula aiuta a determinare la forza elastica necessaria per una determinata area della superficie di tenuta o, al contrario, la pressione effettivamente ottenuta da una forza elastica nota.
Esempio pratico:
Supponiamo di avere una tenuta meccanica con una superficie di 2 pollici quadrati. È necessario un carico molla standard di 30 psi.
Forza = 30 psi × 2 in² = 60 libbre
La molla deve fornire una forza di 60 libbre (27 kg) quando compressa alla lunghezza di installazione. Se le specifiche del produttore indicano che la molla fornisce 60 libbre (27 kg) a 0.5 pollici (1,27 cm) di compressione, si sa esattamente quanto comprimerla durante l'installazione.
Conversione tra psi e kg/cm²:
La maggior parte dei produttori americani utilizza il psi. I produttori europei e asiatici spesso utilizzano kg/cm². È necessario effettuare la conversione tra le due unità.
- 1 kg/cm² = 14.2 psi
- 1 psi = 0.07 kg/cm²
Quindi, lo standard di 30 psi equivale a circa 2.1 kg/cm² (spesso arrotondato a 2 kg/cm² nella documentazione). Il minimo di 10 psi equivale a 0.7 kg/cm².
Esempi di conversione rapida:
- 3 kg/cm² × 14.2 = 42.6 psi
- 85 psi × 0.07 = 5.95 kg/cm²
Fase 3: Calcolo della compressione della molla
Questa formula indica quanto comprimere la molla per ottenere la pressione specifica richiesta sulle superfici di tenuta.
Formula: B = A – P/k
Dove:
- B = lunghezza della molla compressa (lunghezza installata)
- A = lunghezza libera della molla (non compressa)
- P = pressione specifica richiesta sulle superfici di tenuta
- k = rigidità della molla o rigidità della molla
La rigidità della molla (k) indica quanti chilogrammi o libbre di forza si ottengono per pollice o centimetro di compressione. Una molla tipica potrebbe avere una rigidità di 50 libbre/pollice, il che significa che ogni pollice di compressione genera 50 libbre di forza aggiuntive.
Esempio pratico passo dopo passo:
Stai installando una nuova guarnizione. Le specifiche del produttore indicano:
- Lunghezza della molla libera (A) = 3.0 pollici
- Costanza della molla (k) = 40 libbre/pollice
- Pressione specifica richiesta (P) = 120 libbre di forza totale necessaria
- (Ciò si basa sull'area della superficie di tenuta e sul target di 30 psi)
Calcola la compressione:
P/k = 120 libbre ÷ 40 libbre/pollice = 3.0 pollici di compressione necessaria
Ma aspetta, non può essere vero. Dovresti comprimere la molla fino a una lunghezza pari a zero.
Ricalcoliamo con numeri realistici. Supponiamo che siano necessarie 60 libbre di forza (che in questo contesto è P):
60 libbre ÷ 40 libbre/pollice = 1.5 pollici di compressione
B = 3.0 pollici – 1.5 pollici = 1.5 pollici
Una volta installata e compressa correttamente, la molla dovrebbe misurare 1.5 pollici di lunghezza.
Intervallo di pressione specifico tipico: La maggior parte delle tenute meccaniche opera in un intervallo di pressione specifica sulle superfici di tenuta compreso tra 3 e 6 kg/cm² (43-85 psi). Questo intervallo tiene conto sia del carico della molla che delle forze idrauliche generate dal fluido sigillato.
Come utilizzarlo sul campo: Misura la lunghezza libera della molla con un calibro. Trova la rigidità della molla nella documentazione del produttore. Calcola quale dovrebbe essere la lunghezza installata. Quindi verifica che l'installazione corrisponda a quella desiderata.
Fase 4: Calcolo del rapporto di equilibrio (avanzato)
Il calcolo del rapporto di bilanciamento determina quanta superficie della superficie della tenuta è esposta alla pressione idraulica del fluido sigillato. Questo è un argomento avanzato, ma è importante per capire perché alcune tenute richiedono carichi elastici diversi rispetto ad altre.
Formula: B = (Do² – Db²) / (Do² – Di²)
Dove:
- B = rapporto di equilibrio (numero adimensionale)
- Do = diametro esterno della superficie di tenuta
- Di = diametro interno della faccia di tenuta
- Db = diametro di bilanciamento (il diametro effettivo su cui agisce la pressione idraulica)
Quando hai bisogno di questo calcolo: La maggior parte dei tecnici non calcola i rapporti di bilanciamento sul campo. Gli ingegneri addetti alle tenute li determinano in fase di progettazione. Tuttavia, comprendere i rapporti di bilanciamento aiuta a riconoscere i diversi tipi di tenute e i relativi requisiti.
Rapporti di equilibrio tipici:
- Guarnizioni bilanciate: da 0.65 a 0.85
- Guarnizione bilanciata standard: 0.75 per acqua e idrocarburi non lampeggianti
- Idrocarburi lampeggianti: da 0.80 a 0.85
- Guarnizioni sbilanciate: maggiori di 1.0 (in genere da 1.25 a 1.35)
Semplice esempio per il contesto:
Hai un sigillo con:
- Diametro esterno (Do) = 3.0 pollici
- Diametro interno (Di) = 2.0 pollici
- Diametro della bilancia (Db) = 2.7 pollici
B = (3.0² – 2.7²) / (3.0² – 2.0²)
B = (9.0 – 7.29) / (9.0 – 4.0)
B = 1.71 / 5.0
B = 0.342
Aspetta, è troppo basso. Fammi ricalcolare con dimensioni realistiche.
In realtà, usiamo questo esempio:
- Do = 3.0 pollici
- Di = 2.0 pollici
- Db = 2.5 pollici
B = (3.0² – 2.5²) / (3.0² – 2.0²)
B = (9.0 – 6.25) / (9.0 – 4.0)
B = 2.75 / 5.0
B = 0.55
Questo valore è ancora al di sotto dell'intervallo tipico. Una guarnizione correttamente bilanciata dovrebbe avere un Db più vicino a 2.6-2.7 pollici per raggiungere il rapporto di bilanciamento standard di 0.75.
Perché il rapporto di bilanciamento è importante per il carico della molla: Una tenuta bilanciata (rapporto 0.75) necessita di una forza elastica inferiore rispetto a una tenuta non bilanciata, poiché la pressione idraulica contribuisce a mantenere unite le facce. Una tenuta non bilanciata fa maggiore affidamento sulla forza elastica per contrastare le forze idrauliche che cercano di aprire le facce.
Se si sostituisce una guarnizione bilanciata con una non bilanciata (o viceversa), non si può dare per scontato che la stessa forza della molla funzioni. Verificare attentamente le specifiche del produttore.
Come si misura il carico della molla sul campo?
La misurazione del carico della molla sul campo prevede tre passaggi principali: determinazione della rigidità della molla se non è nota, controllo della compressione effettiva della molla e verifica di rientrare nell'intervallo di pressione accettabile.
Fase 1: Misurazione della rigidità della molla (se non nota)
La rigidità della molla indica quanta forza si ottiene per unità di compressione. Se non si hanno le specifiche del produttore, è possibile misurarla autonomamente.
Formula: R = (P2 – P1) / (L1 – L2)
Dove:
- R = rigidità della molla
- P1 = forza alla prima misurazione
- L1 = lunghezza della molla alla prima misurazione
- P2 = forza alla seconda misurazione
- L2 = lunghezza della molla alla seconda misurazione
Metodo di deflessione del 20%-80%: Questo è l'approccio standard del settore per misurare con precisione la rigidità della molla.
Per prima cosa, misura la lunghezza libera della molla (completamente estesa, senza compressione). Supponiamo che sia 3.0 cm.
Quindi, comprimi la molla al 20% della sua deflessione disponibile. Se la molla può comprimersi di 2 cm in totale, il 20% equivale a 0.4 cm di compressione. La molla ora misura 2.6 cm di lunghezza.
Misura la forza necessaria per mantenerlo a questa compressione usando un dinamometro o una bilancia. Supponiamo che siano necessari 16 libbre.
- P1 = 16 libbre
- L1 = 2.6 pollici
Ora comprimi ulteriormente la molla fino all'80% di flessione. Ciò equivale a 1.6 cm di compressione, quindi la molla ora misura 1.4 cm di lunghezza.
Misuriamo di nuovo la forza. Supponiamo che siano necessari 64 libbre.
- P2 = 64 libbre
- L2 = 1.4 pollici
Calcola la rigidità della molla:
R = (64 libbre – 16 libbre) / (2.6 pollici – 1.4 pollici)
R = 48 libbre / 1.2 pollici
R = 40 libbre/pollice
La molla ha una portata di 40 libbre per pollice.
Attrezzature necessarie:
- Calibri o micrometri per la misurazione della lunghezza
- Misuratore di forza o bilancia che può misurare in libbre o chilogrammi
- Morsa o pressa per comprimere la molla in incrementi controllati
La maggior parte delle officine di manutenzione non dispone di dinamometri di precisione. Se non è possibile misurare direttamente la forza, è necessario fare riferimento alle specifiche del produttore per la rigidità delle molle.
Fase 2: Controllo della compressione della molla
Questa è la misurazione che eseguirai più spesso. Ti dice se una guarnizione è installata correttamente o è usurata al punto da dover essere sostituita.
Utilizzando calibri o micrometri: Misurare la lunghezza della molla una volta installata nella guarnizione. Confrontarla con la lunghezza libera e la lunghezza installata specificata nella documentazione del produttore.
Confronto tra lunghezza libera e lunghezza installata: Rimuovere la molla da una guarnizione di ricambio o misurarla prima dell'installazione. Supponiamo che la lunghezza libera sia di 3.0 cm.
Dopo l'installazione, se possibile, misura la molla attraverso l'alloggiamento della guarnizione, oppure smontala quanto basta per accedervi. Supponiamo che ora misuri 1.8 cm.
Compressione = 3.0 pollici – 1.8 pollici = 1.2 pollici di compressione
Calcolo del carico effettivo della molla dalla compressione: Ora usa la rigidità della molla per determinare la forza.
Se la rigidità della molla è di 40 libbre/pollice e la compressione è di 1.2 pollici:
Forza = 40 libbre/pollice × 1.2 pollici = 48 libbre
Se l'area della superficie di tenuta è di 2 pollici quadrati:
Pressione = 48 libbre ÷ 2 pollici quadrati = 24 psi
La pressione della molla è di 24 psi, inferiore al valore di 30 psi previsto per una guarnizione nuova, ma comunque ben al di sopra del minimo di 10 psi. Questa guarnizione è parzialmente usurata, ma ancora funzionante.
Suggerimento sul campo: Molte guarnizioni a cartuccia hanno una molla visibile. Spesso è possibile misurare la lunghezza della molla installata senza smontarla completamente, guardando attraverso le aperture di scarico o gli spazi vuoti nell'alloggiamento. Utilizzare una sonda sottile o un filo metallico insieme a un righello per misurazioni approssimative.
Fase 3: Verifica dell'intervallo di pressione specifico
Una volta calcolato il carico della molla, verifica che rientri nei limiti accettabili per la tua applicazione.
Intervallo target: 3-6 kg/cm² (43-85 psi)
Questa è la pressione specifica totale sulle superfici di tenuta, che include sia la forza della molla che la forza idraulica del fluido sigillato. Per il solo carico della molla, si devono considerare i valori minimi di 30 psi (30 psi) da nuova / 10 psi (10 psi) da usura, discussi in precedenza.
Come effettuare la regolazione utilizzando spessori o distanziali: Alcune guarnizioni dei componenti (non le guarnizioni a cartuccia) consentono di regolare la compressione della molla mediante spessori o distanziali di regolazione.
Per aumentare il carico della molla, aggiungere uno spessore di spessore tra la sede della molla e la molla stessa. Questo comprime ulteriormente la molla. Per diminuire il carico, rimuovere lo spessore di spessore.
Esempio: Il tuo calcolo mostra 20 psi, ma ne vuoi 30. Ti servono 10 psi in più, ovvero 10 psi × 2 pollici quadrati = 20 libbre di forza in più.
Con una rigidità della molla di 40 lb/in: 20 lbs ÷ 40 lb/in = 0.5 pollici di compressione in più necessari.
Aggiungere uno spessore da 0.5 pollici (o una combinazione di spessori per un totale di 0.5 pollici).
Avvertenza critica: quando NON effettuare la regolazione: Non regolare mai la compressione della molla sulle tenute meccaniche a cartuccia sul campo.
Le guarnizioni a cartuccia vengono fornite preassemblate e preregolate in fabbrica. Il produttore ha impostato l'esatta compressione della molla necessaria per prestazioni ottimali. L'intero gruppo è progettato per essere inserito nell'albero e fissato con viti senza bisogno di regolazioni.
Quando è opportuno utilizzare delle spessorature: Regolare la compressione della molla solo sulle guarnizioni dei componenti per le quali il produttore fornisce procedure di regolazione. Seguire sempre le istruzioni specifiche per il posizionamento degli spessori e i limiti di compressione.
FAQ: Domande frequenti sul carico della molla della tenuta meccanica
Ho bisogno di carichi di molla diversi per fluidi diversi?
Sì, in genere sono necessari carichi di molla più elevati per fluidi a bassa viscosità che possono fuoriuscire attraverso fessure più piccole e per applicazioni con fluidi che evaporano o evaporano e creano variazioni di pressione dinamiche; al contrario, è possibile utilizzare carichi di molla più bassi per fluidi ad alta viscosità che resistono naturalmente al flusso.
Con quale frequenza si deve controllare il carico delle molle?
Controllare il carico della molla durante l'installazione iniziale per verificare la corretta compressione e poi durante le ispezioni di routine della guarnizione ogni 6-12 mesi o ogni volta che si notano cambiamenti nelle prestazioni della guarnizione, come maggiori perdite o rumori insoliti.
Posso calcolare il carico della molla senza le specifiche del produttore?
È possibile misurare autonomamente la rigidità della molla utilizzando il metodo di deflessione del 20%-80% con un dinamometro, ma sarà comunque necessario conoscere la compressione della molla target o le dimensioni della superficie di tenuta per calcolare il carico installato corretto; senza specifiche, si rischia un'installazione errata.
