Une ligne de transfert à enveloppe de vapeur passe de la température ambiante à 160 °C quatre fois par jour. Les boulons du presse-étoupe ont été serrés selon les spécifications lors de la mise en service, mais à la fin de la première semaine, la garniture suinte. Rien ne s'est détaché. Le joint s'est simplement raccourci de quelques centièmes de millimètre à mesure que le joint et la garniture se détendent sous l'effet de la chaleur, et une rondelle plate ne peut pas suivre ce mouvement. Une boîte de printemps Belleville.
Ce mélange de course courte et de force élevée est la raison pour laquelle les rondelles à disque conique apparaissent sur les chapeaux de vannes, les boulons à bride, les ensembles de sièges et les garnitures de décharge bien plus souvent que ne l'indiquent la plupart des dossiers de maintenance. Les réussir se résume à une poignée de dimensions et à deux décisions d’empilement, et la plupart des échecs sur le terrain remontent à l’une de celles qui ont été ignorées.
Qu'est-ce qu'une source de Belleville en réalité
Un ressort Belleville est un ressort de compression en forme de rondelle formé comme un tronc de cône peu profond. Chargé axialement, le cône s'aplatit : la déflexion par disque est généralement bien inférieure à un millimètre, tandis que la force qu'il exerce est importante pour la hauteur qu'il occupe. La plupart des spécifications industrielles suivent la norme DIN 2093, qui fixe les séries dimensionnelles, les groupes de tolérance d'épaisseur et l'état du matériau.
Quatre valeurs décrivent la pièce : le diamètre extérieur, le diamètre intérieur, l'épaisseur du matériau t et la hauteur du cône h. Tout le reste, y compris la forme de la courbe de charge et le comportement en fatigue, en découle.
Définition : un ressort Belleville, également appelé ressort à disque conique ou rondelle disque, emmagasine l'énergie élastique en aplatissant un cône tronqué. Le rapport h/t, hauteur du cône divisée par l'épaisseur du matériau, détermine presque à lui seul le comportement charge-déformation.
| Caractéristique | Ressort à disque Belleville | Ressort de compression hélicoïdal | Rondelle plate |
| Forcer dans un short stack | Élevé, souvent des kilonewtons par disque | Modéré, nécessite une longueur libre | Aucun |
| Déplacement par élément | Petit, généralement 0,2 à 1,0 mm | Grand, plusieurs dizaines de millimètres | Zéro |
| Mode de défaillance typique | Fissure de fatigue, perte de charge après relaxation | Flambage, prise permanente | Desserrage, grippage |
| Service typique des vannes | Chargement dynamique du presse-étoupe, mise sous tension du siège, joints boulonnés | Pression de réglage de la soupape de sécurité, retour de l'actionneur | Répartition de la charge sous les têtes de boulons |
Lecture de la courbe charge-déflexion avant de choisir un rapport h/t
Le rapport h/t détermine la forme de la courbe charge-déformation et donc le travail que le ressort peut effectuer.
À h/t proche de 0,4, la courbe est proche d'une ligne droite : doubler la déflexion double grossièrement la force. Cela rend le dimensionnement arithmétique simple et convient aux joints boulonnés où la course de travail est petite et connue à l'avance.
À h/t proche de 0,75, la courbe s’aplatit au milieu de sa course. La force change très peu sur une bande de déflexion qui peut mesurer plusieurs dixièmes de millimètre de large, ce qui est exactement ce que souhaite un presse-étoupe sous charge dynamique : la garniture se détend, le disque se décharge légèrement et la contrainte exercée sur la garniture reste à l'intérieur de sa fenêtre d'étanchéité au lieu de s'effondrer.
Au-dessus d'environ 1,3, la courbe s'inverse et le disque entre en rigidité négative. Ce comportement est réel et utile dans les mécanismes excentrés, mais il est risqué sous un boulon : un disque qui se brise peut s'inverser et perdre sa précharge en une seule excursion thermique. Lorsqu'une équipe de maintenance signale qu'une pile s'est dégonflée sans raison visible, vérifiez le h/t avant de blâmer la procédure de couple.
Empilage : comment les configurations en série et en parallèle modifient la charge et le déplacement
L'empilement parallèle multiplie la force et l'empilement en série multiplie les déplacements, et aucune pile ne fait les deux à la fois sans payer en hauteur.
Imbriqués dans la même direction, n disques se comportent comme un élément plus rigide : la force est n fois celle d'un seul disque tandis que la course reste la même. Alternés face à face, les mêmes n disques parcourent n fois plus loin mais ne transportent que la force d'un disque. Les groupes combinés, deux ensembles parallèles placés en série par exemple, multiplient les deux valeurs, au prix d'une poche plus haute et de plus d'interfaces de friction.
Pile parallèle
- Force multipliée par le nombre de disques
- Voyage égal à un disque
- Utile pour une précharge élevée dans une poche peu profonde
- La friction augmente rapidement avec le compte
Pile de séries
- Déplacement multiplié par le nombre de disques
- Force égale à un disque
- Utile pour le mouvement thermique et la relaxation
- Tarif plus doux, hauteur installée plus longue
La friction est la variable silencieuse. Chaque interface disque à disque perd environ 2 à 5 % de la force nominale entre la course de chargement et de déchargement, de sorte qu'une pile de dix disques peut présenter une hystérésis notable et qu'une pile sèche peut lire bien en dessous de la courbe du catalogue. Les piles lubrifiées resserrent cette dispersion, bien que le lubrifiant doive être compatible avec le fluide de procédé si le ressort se trouve à l'intérieur de la limite mouillée.
Où les laveuses Belleville font un vrai travail en matière de quincaillerie de vannes et de tuyauterie
Dans les ensembles de vannes et de tuyauteries, les ressorts Belleville apparaissent à trois endroits : les joints boulonnés qui chauffent, les presse-étoupes qui doivent supporter une contrainte constante et les composants de siège qui nécessitent une poussée légère et continue.
- Chargement dynamique du presse-étoupe et du capot. Une courte pile sous chaque écrou de presse-étoupe maintient la contrainte de garniture à l'intérieur d'une bande étroite pendant que la vanne chauffe et refroidit. Deux à quatre disques en série couvrent généralement la course d'une vanne à vapeur.
- Joints boulonnés à bride. L'inadéquation de dilatation thermique entre les tuyaux en acier au carbone et les goujons en acier inoxydable est un mécanisme de desserrage classique, et une pile de disques compense sans avoir besoin d'un goujon plus long.
- Dynamisation du siège. Dans les vannes à bille et à papillon, un disque léger ou un ressort ondulé presse le siège contre la fermeture à faible pression différentielle, puis la pression du processus prend en charge la charge d'étanchéité.
- Précharge de l'actionneur et du roulement. Les boîtes de vitesses quart de tour et les actionneurs électriques utilisent de petits empilements pour supprimer le jeu axial de la transmission.
- Trim de secours et étapes pilotes. La stabilité de la pression de réglage dépend du fait que la raideur du ressort reste constante, et certaines conceptions pilotes utilisent des piles de disques là où un ressort hélicoïdal serait trop haut.
Le type de défaillance qui apparaît le plus souvent dans les robinets à tournant sphérique à haute température est un siège qui scelle à froid et suinte à chaud. L'insert du siège grandit, le ressort situé en dessous doit absorber le mouvement et un ressort sous-dimensionné ou détendu perd sa pression de contact exactement lorsque le processus atteint la température. Une vanne construite pour cette tâche doit spécifier le matériau du ressort du siège et la course disponible plutôt que de s'en remettre à une pièce générique.
Vanne à bille pneumatique haute température VATTEN Vanne pneumatique à bille haute température avec support allongé et dissipation thermique, utile lorsque le matériau et la course du ressort du siège doivent s'adapter au mouvement thermique. Voir le produit → Le même raisonnement s'applique aux vannes à boisseau sphérique à siège métallique en service abrasif, où le ressort du siège doit résister simultanément au mouvement thermique et à la pénétration de particules. Notre propre note sur robinets à boisseau sphérique à siège métallique dans des conditions de fonctionnement extrêmes parcourt le chemin de charge plus en détail.
Côté relief, le ressort est l'élément de calibrage. Une soupape de sécurité à ressort maintient sa pression de réglage tant que la raideur du ressort reste stable, de sorte que le boîtier du ressort, ses guides et tous les éléments de disque auxiliaires méritent le même examen minutieux que le siège et le disque.
Soupape de sécurité fermée à ressort à levée complète Soupape de sécurité à ressort pour protection contre les surpressions, avec limites de service A42Y-C et A42Y-P/R et tableaux dimensionnels PN/DN pour la sélection. Voir le produit → Une règle pratique issue du travail sur le terrain : si le joint se déplace de plus de 0,1 mm entre le froid et le chaud, ou si le boulon se détend de plus de 5 % au cours de la première semaine, une rondelle ordinaire n'est pas la bonne pièce et une pile de disques courte la fixera généralement sans reconcevoir le goujon.
Détails des matériaux, des finitions et des tolérances qui déterminent la durée de vie
La qualité du matériau, l'état des bords et le traitement prédéfini déterminent si un disque survit à un million de cycles ou à des fissures à dix mille, et ils comptent plus que la capacité de charge du catalogue.
| Matériel | Guidage de température | Résistance à la corrosion | Utilisation typique |
| Acier à ressort 50CrV4 ou 51CrV4 | Jusqu'à environ 250 C avec déclassement | Faible, nécessite un placage | Boulonnerie et presse-étoupes industriels généraux |
| 301 inoxydable | Jusqu'à environ 200°C | Modéré | Service d'eau, de nourriture et de produits chimiques légers |
| Acier inoxydable à durcissement par précipitation 17-7PH | Jusqu'à environ 350 C | Bon | Cycles de fatigue élevés, service plus propre |
| Inconel X-750 | Jusqu'à environ 600 C | Élevé | Garnitures de soupapes de vapeur, d'échappement et d'eau chaude |
Quatre détails du processus comportent la plupart des risques restants :
- Arrondi des bords, qui supprime le coin vif où commencent normalement les fissures de fatigue.
- Le grenaillage, qui met la surface en compression et augmente sensiblement la durée de vie des pièces de cyclisme.
- Préréglage à une hauteur solide, qui supprime les contraintes résiduelles et stabilise la hauteur du cône avant l'expédition de la pièce.
- Traitement de surface, qu'il s'agisse de phosphatation, de zinc lamellaire ou de PTFE, choisi pour le contrôle des frottements autant que pour la corrosion.
Le préréglage n'est pas facultatif dans le service de cyclisme. Un disque qui a été comprimé une fois à une hauteur solide conservera bien mieux sa hauteur de cône qu'un disque qui ne l'a pas été, et sauter l'étape apparaît généralement comme une perte de charge de plusieurs pour cent au cours des cent premiers cycles, bien avant qu'une fissure de fatigue ne soit visible.
Une séquence de sélection pratique
Travaillez à partir de la charge que le joint doit conserver, et non à partir de la page de catalogue la plus proche.
- Définissez la bande de charge. Indiquez la contrainte minimale que le joint doit sceller et la tension maximale que le matériel peut supporter, puis dimensionnez au milieu de cette fenêtre.
- Mesurez le mouvement. La dilatation thermique, la relaxation du joint et le fluage s'ajoutent à la course que le ressort doit absorber. Si le nombre est inférieur à 0,2 mm, un seul disque suffit généralement.
- Choisissez le disque et le rapport. Choisissez h/t proche de 0,4 pour un taux prévisible, ou proche de 0,75 lorsqu'une force constante tout au long du déplacement compte plus que la rigidité.
- Décidez de la pile. Série pour le déplacement, parallèle pour la force et groupes combinés uniquement lorsque la hauteur de la poche le permet.
- Vérifiez le stress et l’environnement. Confirmez que la contrainte calculée se situe en dessous de la limite de fatigue du matériau à la température de fonctionnement et que le placage ou le lubrifiant survit au fluide de traitement.
Foire aux questions
Les rondelles Belleville et les disques ressorts sont-ils la même chose ?
Oui. La rondelle Belleville, le ressort à disque conique et le ressort à disque décrivent tous la même pièce tronconique, et la norme allemande DIN 2093 utilise le terme Tellerfeder. La dénomination varie selon les régions et les catalogues de fournisseurs, mais les dimensions et le comportement en charge suivent les mêmes règles.
Le gerbage peut-il soulever la charge et se déplacer en même temps ?
Pas avec les mêmes disques dans une simple pile. Les groupes parallèles multiplient la force et les groupes en série multiplient les déplacements, donc élever les deux nécessite des groupes combinés et une poche plus grande. Par exemple, deux paires parallèles placées en série doublent les deux valeurs par rapport à un seul disque, à quatre fois la hauteur installée.
Quelle est la friction normale dans une pile ?
Environ 2 à 5 pour cent de la force nominale par interface sur une pile sèche, ce qui se traduit par une différence entre la courbe de chargement et de déchargement. La lubrification réduit la dispersion et l'effet est suffisamment faible pour la plupart des assemblages boulonnés une fois qu'il est pris en compte dans le calcul plutôt que découvert en service.
Les disques ressorts doivent-ils être resserrés après l'installation ?
Moins souvent que les laveuses plates, mais le premier cycle de chauffage fait quand même bouger les choses. Vérifiez la charge des boulons une fois que le système a atteint la température de fonctionnement et à nouveau après la première semaine ; une pile prédéfinie et correctement dimensionnée tient normalement à quelques pour cent près.
