La molla all'interno di una tenuta meccanica è un componente critico che mantiene le facce di tenuta premute l'una contro l'altra per prevenire perdite in apparecchiature rotanti come pompe e miscelatori. Questa molla fornisce una forza costante che mantiene il contatto tra le facce anche quando l'apparecchiatura è ferma o opera a bassa pressione. Senza questa forza della molla, le facce di tenuta si separerebbero permettendo al fluido di fuoriuscire, causando guasti alle apparecchiature e rischi per la sicurezza.
Le molle lavorano insieme alla pressione del fluido per creare il perfetto equilibrio per la tenuta. Spingono con forza sufficiente per prevenire le perdite, ma non così forte da causare un eccessivo usura. La molla compensa anche il normale consumo delle facce di tenuta e i piccoli movimenti dell'albero che si verificano durante il funzionamento.
Il Ruolo delle Molle nelle Tenute Meccaniche
Nelle tenute meccaniche, le molle svolgono tre funzioni essenziali.
- Mantengono un contatto costante tra le facce di tenuta rotanti e stazionarie. Questa forza di chiusura rimane attiva sia che la pompa sia in funzione o ferma, prevenendo perdite durante l'avvio e lo spegnimento quando la pressione del fluido è minima.
- Le molle compensano l'usura e i movimenti che si verificano naturalmente durante il funzionamento. Man mano che le facce di tenuta si consumano dopo migliaia di ore di utilizzo, la molla si estende per mantenere il contatto. La molla assorbe anche le piccole deflessioni dell'albero causate dalle tolleranze dei cuscinetti o dai cambiamenti di temperatura.
- Le molle bilanciano le forze del fluido che cercano di separare le facce di tenuta. Durante il funzionamento, il fluido pompato crea una pressione che tenta di separare le facce. La molla contrasta questa pressione, mantenendo una forza appena sufficiente per consentire un film microscopico di fluido per la lubrificazione, prevenendo al contempo perdite significative.
Tipi di Molle Utilizzate nelle Tenute Meccaniche
Le tenute meccaniche utilizzano quattro tipi principali di molle, ciascuno con vantaggi distinti per diverse applicazioni.
Molla a Spirale Singola (Tenuta a Molla Singola)
Le molle a spirale singola utilizzano una grande molla per fornire tutta la forza di tenuta. Il design robusto presenta un filo spesso resistente alla corrosione e che gestisce bene i fluidi sporchi. I solidi e i fanghi hanno meno punti in cui accumularsi rispetto a più molle piccole.
Tuttavia, le molle singole non distribuiscono la forza in modo uniforme attorno alle facce di tenuta. Tutta la forza proviene da un punto, il che può creare leggere inclinazioni o modelli di usura irregolari. Queste molle richiedono anche più spazio assiale, rendendo l'intero assemblaggio della tenuta più lungo.
Ad alte velocità dell'albero, le molle singole possono subire lo srotolamento a causa delle forze centrifughe. I produttori contrastano questo fenomeno progettando la direzione della molla per resistere allo srotolamento durante la rotazione. Nonostante queste limitazioni, le molle singole rimangono popolari per servizi con fluidi sporchi o viscosi dove l'intasamento è una preoccupazione.
Molle a Spirale Multiple (Tenuta a Molle Multiple)
Le tenute a molle multiple distribuiscono diverse molle piccole uniformemente attorno alla circonferenza della tenuta. Questa disposizione fornisce un carico uniforme sulle facce, mantenendole parallele e premute in modo uniforme. Una migliore distribuzione della pressione migliora le prestazioni di tenuta e crea modelli di usura più consistenti.
Le molle multiple creano un design più compatto rispetto alle molle singole. Le molle più corte si adattano a uno spazio assiale minore pur fornendo una forza adeguata. I produttori possono utilizzare lo stesso design di molla per diverse dimensioni di tenuta semplicemente cambiando il numero di molle.
Lo svantaggio principale è la vulnerabilità all'intasamento e alla corrosione. Il filo di molla di piccolo diametro ha una superficie maggiore esposta all'attacco. Particelle abrasive, incrostazioni o fluidi viscosi possono accumularsi tra le spire più facilmente rispetto a una singola molla robusta.
Molla Ondulata (Wave Spring)
Le molle ondulate comprimono un nastro metallico piatto formato in picchi e valli attorno a un cerchio. Questo design raggiunge la forza elastica richiesta in uno spazio assiale minimo. Le molle ondulate sono spesso alte la metà delle tradizionali molle a spirale con una forza di output simile.
Il design compatto comporta dei compromessi. Le molle ondulate hanno una curva forza-deflessione ripida. Piccole quantità di usura delle facce o dilatazione termica causano grandi cambiamenti nella forza della molla. Ciò significa che la forza di chiusura diminuisce più rapidamente con l'usura delle facce rispetto alle molle a spirale.
Le molle ondulate eccellono in applicazioni con vincoli di spazio ridotti. Quando le apparecchiature hanno camere di tenuta poco profonde che non possono ospitare molle tradizionali, le molle ondulate forniscono la soluzione.
Soffietti (Tenute a Soffietto Metallico)
I soffietti metallici svolgono un doppio scopo, fungendo sia da molla che da tenuta secondaria. La struttura a fisarmonica si comprime ed estende per fornire forza elastica, eliminando al contempo la necessità di O-ring dinamici sull'albero. Ciò rimuove un punto di guasto comune nelle tenute tradizionali.
I soffietti distribuiscono la forza uniformemente attorno all'intera circonferenza della faccia di tenuta. Il design è intrinsecamente autobilanciante rispetto alla pressione, senza richiedere più molle individuali. Questo carico uniforme migliora il contatto tra le facce e riduce l'usura.
Queste tenute eccellono in applicazioni a temperature estreme. I soffietti metallici gestiscono sia servizi criogenici che ad alta temperatura dove i componenti in gomma fallirebbero. Prevengono anche problemi di fretting dell'albero e di blocco della tenuta associati agli O-ring scorrevoli.
Le principali sfide riguardano il controllo della rigidità della molla e il costo. Lo spessore e il numero di convoluzioni del soffietto devono bilanciare la capacità di pressione con la rigidità della molla. Troppo rigido e il soffietto non si fletterà correttamente. Troppo morbido e non manterrà un adeguato contatto tra le facce.
