Qual é a força de abertura de um selo mecânico

A força de abertura é um parâmetro crítico no projeto e seleção de selos mecânicos. Este post de blog fornecerá uma visão aprofundada dos fatores que influenciam a força de abertura e percorrerá os cálculos necessários para determinar a força de abertura total para um selo mecânico.

Exploraremos os quatro principais componentes que contribuem para a força de abertura: força de mola, força hidráulica, força de atrito e força de adesão. Para cada fator, discutiremos os princípios subjacentes e forneceremos fórmulas detalhadas e cálculos de exemplo para ilustrar como quantificar seu impacto na força de abertura total.

O que é força de abertura

Força de abertura, também conhecida como força de elevação, é um parâmetro crítico no projeto e operação de selos mecânicos. Ela se refere à força necessária para superar as forças de fechamento que atuam nas faces do selo, permitindo que elas se separem e criem uma película fluida entre as faces. Essa película fluida é essencial para a operação adequada do selo, pois evita o contato direto entre as faces, minimiza o desgaste e ajuda a dissipar o calor.

Fatores que afetam a força de abertura

Força da primavera

A força da mola é um dos principais componentes da força de abertura em uma vedação mecânica. Selos mecânicos normalmente empregam molas, como molas helicoidais ou foles, para fornecer uma força de fechamento constante nas faces do selo. A força da mola ajuda a manter o contato entre as faces durante a operação e compensa qualquer desgaste ou expansão térmica.

A magnitude da força da mola depende do design da mola, do material e da compressão. Os fabricantes de vedações geralmente fornecem dados de força da mola para seus produtos, que podem ser usados no cálculo da força de abertura.

Força hidráulica

Força hidráulica, também conhecida como força de pressão do fluido, é outro contribuinte significativo para a força de abertura. Essa força é gerada pela pressão do fluido agindo nas faces do selo. A força hidráulica tende a empurrar as faces para longe, neutralizando as forças de fechamento e auxiliando na formação do filme de fluido.

A magnitude da força hidráulica depende da pressão do fluido, da geometria das faces do selo e da relação de equilíbrio do selo. A relação de equilíbrio é um parâmetro de projeto que determina a proporção do cara de foca área submetida à pressão do fluido.

Força de atrito

Força de atrito é uma força resistiva que se opõe ao movimento relativo entre as faces do selo. Em selos mecânicos, a força de atrito surge do contato entre as faces rotativas e estacionárias do selo. Essa força depende do acabamento da superfície, das propriedades do material e da pressão de contato entre as faces.

A força de atrito contribui para a força de fechamento em uma vedação mecânica, e sua magnitude deve ser superada pela força de abertura para atingir a operação adequada da vedação.

Força de Adesão

Força de adesão, também chamada de força de atrito, é uma força atrativa que ocorre entre as faces do selo quando elas estão em contato próximo. Essa força é resultado de interações moleculares, como forças de van der Waals, e é influenciada pelas propriedades da superfície e pela presença de quaisquer contaminantes ou filmes de fluidos.

A força de adesão pode ser significativa em certas aplicações, particularmente quando as faces da vedação são altamente polidas ou ao lidar com fluidos viscosos.

Calculando a força de abertura

Cálculo da força da mola

A força da mola (F_e) é calculado usando a lei de Hooke:

F_e = k × x

Onde:

• k é a constante da mola (N/m)
• x é a compressão da mola (m)

Exemplo:

• Constante da mola (k) = 10.000 N/m
• Compressão da mola (x) = 0,005 m

F_e = 10.000 N/m × 0,005 m = 50 N

Cálculo de Força Hidráulica

A força hidráulica (F_o) é calculado usando a seguinte fórmula:

F_o = P × A × B

Onde:

• P é a pressão do fluido (Pa)
• A é a área da face do selo (m²)
• B é a razão de equilíbrio (sem unidade)

Exemplo:

• Pressão do fluido (P) = 1.000.000 Pa (10 bar)
• Área da face do selo (A) = 0,0001 m²
• Razão de equilíbrio (B) = 0,8

F_o = 1.000.000 Pa × 0,0001 m² × 0,8 = 80 N

Cálculo da força de atrito

A força de atrito (F_e) é calculado usando a seguinte fórmula:

F_e = μ × F_c

Onde:

• μ é o coeficiente de atrito (sem unidade)
• F_c é a força de fechamento (N), que inclui a força da mola e quaisquer outras forças de fechamento

Exemplo:

• Coeficiente de atrito (μ) = 0,1
• Força de fechamento (F_c) = 100 N (incluindo a força da mola calculada anteriormente)

F_e = 0,1 × 100 N = 10 N

Estimativa da força de adesão

Força de adesão (F_um) é difícil de calcular precisamente, pois depende de vários fatores, como propriedades de superfície, propriedades do fluido e condições ambientais. Na prática, a força de adesão é frequentemente estimada com base em dados experimentais ou fórmulas empíricas.

Para este exemplo, vamos supor uma força de adesão estimada de 5 N.

F_um = 5 N

Força de abertura total

A força total de abertura (F_o) é a soma da força hidráulica e da força de adesão, menos a força da mola e a força de atrito:

F_o = F_o + F_um – F_e – F_e

Usando os valores dos exemplos anteriores:

• Força hidráulica (F_o) = 80 N
• Força de adesão (F_um) = 5 N
• Força da mola (F_e) = 50 N
• Força de atrito (F_e) = 10 N

F_o = 80 N + 5 N – 50 N – 10 N = 25 N

Neste exemplo, a força total de abertura é de 25 N. Este valor indica a força mínima necessária para superar as forças de fechamento e criar uma película de fluido entre as faces da vedação.