Belleville Spring Guide: Lastkurven, Stapelmethoden und Ventilstopfbuchsenbelastung

Eine Transferleitung mit Dampfmantel wechselt viermal täglich von Umgebungstemperatur auf 160 °C. Die Stopfbuchsenschrauben wurden bei der Inbetriebnahme mit dem vorgeschriebenen Drehmoment angezogen, doch am Ende der ersten Woche leckt die Packung. Es hat sich nichts gelöst. Die Verbindung hat sich einfach um ein paar Hundertstel Millimeter verkürzt, da sich Dichtung und Stopfbuchspackung unter Hitze entspannen, und eine Unterlegscheibe kann dieser Bewegung nicht folgen. Eine Belleville-Spring-Dose.

Diese Mischung aus kurzem Hub und hoher Kraft ist der Grund, warum Kegelscheibenscheiben weitaus häufiger auf Ventiloberteilen, Flanschschrauben, Sitzbaugruppen und Entlastungsverkleidungen auftauchen, als in den meisten Wartungsakten angegeben ist. Um sie richtig zu machen, kommt es auf eine Handvoll Dimensionen und zwei Stapelentscheidungen an, und die meisten Feldfehler sind darauf zurückzuführen, dass eine davon übersprungen wird.

Was für ein Belleville Spring eigentlich ist

Eine Belleville-Feder ist eine scheibenförmige Druckfeder, die als flacher Kegelstumpf geformt ist. Bei axialer Belastung flacht der Kegel ab: Die Durchbiegung pro Scheibe beträgt normalerweise deutlich weniger als einen Millimeter, während die von ihr ausgeübte Kraft für die Höhe, die sie einnimmt, groß ist. Die meisten Industrievorschriften orientieren sich an der DIN 2093, die die Maßreihen, die Dickentoleranzgruppen und die Materialbeschaffenheit festlegt.

Vier Werte beschreiben das Teil: Außendurchmesser, Innendurchmesser, Materialstärke t und Kegelhöhe h. Aus ihnen ergibt sich alles Weitere, einschließlich der Form der Lastkurve und des Ermüdungsverhaltens.

Lesen Sie die Last-Durchbiegungs-Kurve, bevor Sie ein h/t-Verhältnis wählen

Das h/t-Verhältnis bestimmt die Form der Last-Weg-Kurve und damit die Funktion der Feder.

Bei h/t nahe 0,4 ähnelt die Kurve einer geraden Linie: Eine Verdoppelung der Auslenkung verdoppelt ungefähr die Kraft. Das vereinfacht die Berechnung der Dimensionierung und eignet sich für Schraubverbindungen, bei denen der Arbeitsweg klein und im Voraus bekannt ist.

Bei h/t nahe 0,75 flacht die Kurve in der Mitte ihres Verlaufs ab. Die Kraft ändert sich über ein Ablenkband, das mehrere Zehntel Millimeter breit sein kann, nur sehr wenig, was genau das ist, was eine unter Spannung stehende Stopfbuchse will: Die Packung entspannt sich, die Scheibe entlastet sich leicht und die Spannung auf die Packung bleibt innerhalb ihres Dichtungsfensters, anstatt zusammenzubrechen.

Oberhalb von etwa 1,3 dreht sich die Kurve um und die Scheibe erreicht eine negative Steifigkeit. Dieses Verhalten ist bei Over-Totpunkt-Mechanismen real und nützlich, aber unter einer Schraube ist es riskant: Eine durchbrechende Scheibe kann sich bei einer einzigen thermischen Auslenkung umdrehen und die Vorspannung verlieren. Wenn ein Wartungsteam meldet, dass ein Stapel ohne ersichtlichen Grund platt geworden ist, prüfen Sie zunächst die H/T, bevor Sie dem Drehmomentverfahren die Schuld geben.

Stapeln: Wie Reihen- und Parallelkonfigurationen Last und Weg verändern

Paralleles Stapeln vervielfacht die Kraft, und Reihenstapeln vervielfacht den Weg, und kein Stapel schafft beides gleichzeitig, ohne dafür in der Höhe zu zahlen.

In der gleichen Richtung verschachtelt verhalten sich n Scheiben wie ein steiferes Element: Die Kraft ist n-mal so groß wie die einer einzelnen Scheibe, während der Weg gleich bleibt. Abwechselnd bewegen sich dieselben n Scheiben n-mal so weit, tragen aber nur die Kraft einer Scheibe. Kombinierte Gruppen, zum Beispiel zwei parallele Sätze in Reihe geschaltet, multiplizieren beide Werte, auf Kosten einer größeren Tasche und mehr Reibungsschnittstellen.

Reibung ist die ruhige Variable. Jede Schnittstelle zwischen Scheibe und Scheibe verliert etwa 2 bis 5 Prozent der Nennkraft zwischen dem Lade- und Entladehub, sodass ein Stapel mit zehn Scheiben eine spürbare Hysterese aufweisen kann und ein trockener Stapel deutlich unter der Katalogkurve liegen kann. Geschmierte Stapel verringern diese Streuung, allerdings muss das Schmiermittel mit der Prozessflüssigkeit kompatibel sein, wenn die Feder innerhalb der benetzten Grenze sitzt.

Wo Belleville-Unterlegscheiben in Ventil- und Rohrleitungsbeschlägen echte Arbeit leisten

In Ventil- und Rohrleitungsbaugruppen kommen Tellerfedern an drei Stellen vor: an Schraubverbindungen, die sich erwärmen, an Stopfbuchsen, die einer konstanten Spannung standhalten müssen, und an Sitzkomponenten, die einen leichten, kontinuierlichen Druck benötigen.

• Live-Beladung von Stopfbuchse und Motorhaube. Ein kurzer Stapel unter jeder Stopfbuchsenmutter hält die Packungsspannung in einem schmalen Band, während sich das Ventil erwärmt und abkühlt. Zwei bis vier Scheiben in Reihe decken normalerweise den Hub eines Dampfventils ab.
• Flanschverschraubungen. Eine nicht übereinstimmende Wärmeausdehnung zwischen Kohlenstoffstahlrohr und Edelstahlbolzen ist ein klassischer Lockerungsmechanismus, und ein Scheibenstapel gleicht dies aus, ohne dass ein längerer Bolzen erforderlich ist.
• Sitzbestromung. Bei Kugel- und Absperrklappen drückt eine leichte Teller- oder Wellenfeder bei geringem Differenzdruck den Sitz gegen den Verschluss, dann übernimmt der Prozessdruck die Dichtkraft.
• Aktuator- und Lagervorspannung. Schwenkgetriebe und elektrische Stellantriebe verwenden kleine Stapel, um axiales Spiel aus dem Antriebsstrang zu entfernen.
• Entlastungstrimmung und Pilotstufen. Die Stabilität des eingestellten Drucks hängt davon ab, dass die Federrate konstant bleibt, und einige Pilotkonstruktionen verwenden Scheibenstapel, bei denen eine Schraubenfeder zu hoch sein würde.

Das Fehlermuster, das am häufigsten bei Hochtemperatur-Kugelhähnen auftritt, ist ein Sitz, der kalt abdichtet und heiß austritt. Die Sitzeinlage wächst, die Feder darunter muss die Bewegung aufnehmen und eine zu kleine oder entspannte Feder verliert genau dann den Anpressdruck, wenn der Prozess Temperatur erreicht. Ein für diese Aufgabe gebautes Ventil sollte das Sitzfedermaterial und den verfügbaren Hub spezifizieren, anstatt es einem generischen Teil zu überlassen.

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Die gleiche Überlegung gilt für metallisch dichtende Kugelhähne im abrasiven Einsatz, bei denen die Sitzfeder gleichzeitig thermischen Bewegungen und dem Eindringen von Partikeln standhalten muss. Unsere eigene Anmerkung zu metallisch dichtende Kugelhähne unter extremen Betriebsbedingungen geht den Lastpfad genauer durch.

Auf der Entlastungsseite ist die Feder das Kalibrierelement. Ein federbelastetes Sicherheitsventil hält seinen eingestellten Druck nur so lange, wie die Federrate stabil bleibt. Daher verdienen das Federgehäuse, seine Führungen und alle zusätzlichen Scheibenelemente die gleiche Prüfung wie der Sitz und die Scheibe.

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Material-, Oberflächen- und Toleranzdetails, die über die Lebensdauer entscheiden

Materialqualität, Kantenzustand und voreingestellte Behandlung entscheiden darüber, ob eine Scheibe eine Million Zyklen übersteht oder bei zehntausend Zyklen reißt, und sie sind wichtiger als die im Katalog angegebene Tragfähigkeit.

Vier Prozessdetails bergen den größten Teil des verbleibenden Risikos:

• Kantenverrundung, die die scharfe Ecke entfernt, an der normalerweise Ermüdungsrisse entstehen.
• Kugelstrahlen, das die Oberfläche komprimiert und die Ermüdungslebensdauer von Fahrradteilen spürbar erhöht.
• Voreinstellung auf feste Höhe, wodurch Restspannungen beseitigt und die Kegelhöhe stabilisiert werden, bevor das Teil versandt wird.
• Die Oberflächenbehandlung, ob Phosphatierung, Zinklamellen oder PTFE, dient sowohl der Reibungskontrolle als auch der Korrosion.

Eine praktische Auswahlsequenz

Arbeiten Sie anhand der Belastung, der die Verbindung standhalten muss, nicht anhand der nächstgelegenen Katalogseite.

1. Definieren Sie das Lastband. Geben Sie die minimale Spannung an, die die Verbindung zum Abdichten benötigt, und die maximale Belastung, die die Beschläge aushalten können, und passen Sie dann die Größe auf die Mitte des Fensters an.
2. Messen Sie die Bewegung. Wärmeausdehnung, Dichtungsentspannung und Kriechen addieren sich zu dem Federweg, den die Feder aufnehmen muss. Liegt die Zahl unter 0,2 mm, reicht in der Regel eine einzelne Scheibe aus.
3. Wählen Sie die Scheibe und das Verhältnis. Wählen Sie h/t in der Nähe von 0,4 für eine vorhersagbare Rate oder in der Nähe von 0,75, wenn eine konstante Kraft über den gesamten Weg wichtiger ist als die Steifigkeit.
4. Bestimmen Sie den Stapel. Serienmäßig für den Weg, parallel für die Kraft und kombinierte Gruppen nur, wenn die Taschenhöhe dies zulässt.
5. Überprüfen Sie Stress und Umgebung. Stellen Sie sicher, dass die berechnete Spannung unter der Ermüdungsgrenze des Materials bei Betriebstemperatur liegt und dass die Beschichtung oder das Schmiermittel der Prozessflüssigkeit standhält.

Häufig gestellte Fragen

Sind Tellerfedern und Tellerfedern dasselbe?

Ja. Belleville-Scheibe, Kegelscheibenfeder und Tellerfeder beschreiben alle das gleiche Kegelstumpfteil, und die deutsche Norm DIN 2093 verwendet den Begriff Tellerfeder. Die Benennung variiert je nach Region und Lieferantenkatalog, aber Abmessungen und Lastverhalten folgen den gleichen Regeln.

Kann beim Stapeln gleichzeitig die Last angehoben und gefahren werden?

Nicht mit den gleichen Scheiben in einem einfachen Stapel. Parallele Gruppen vervielfachen die Kraft und Reihengruppen vervielfachen den Weg, sodass für die Erhöhung beider Gruppen kombinierte Gruppen und eine größere Tasche erforderlich sind. Zwei parallele Paare in Reihe beispielsweise verdoppeln beide Werte im Vergleich zu einer einzelnen Scheibe bei vierfacher Einbauhöhe.

Wie viel Reibung ist in einem Stapel normal?

Ungefähr 2 bis 5 Prozent der Nennkraft pro Schnittstelle bei einem trockenen Stapel, was sich als Unterschied zwischen der Lade- und Entladekurve zeigt. Durch die Schmierung wird die Streuung verringert, und der Effekt ist für die meisten Schraubenverbindungen gering genug, wenn er in der Berechnung berücksichtigt und nicht im Betrieb entdeckt wird.

Müssen Tellerfedern nach dem Einbau nachgezogen werden?

Seltener als Unterlegscheiben, aber der erste Hitzezyklus bewegt immer noch Dinge. Überprüfen Sie die Schraubenbelastung einmal, nachdem das System die Betriebstemperatur erreicht hat, und erneut nach der ersten Woche; Ein voreingestellter Stapel mit der richtigen Größe hält von da an normalerweise nur noch wenige Prozent.