WO2017100872A1

WO2017100872A1 - Sistema de molas para altas cargas de trabalho

Info

Publication number: WO2017100872A1
Application number: PCT/BR2015/050255
Authority: WO
Inventors: Alejandro ANDUEZA
Original assignee: Fmc Technologies Do Brasil Ltda
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-06-22
Also published as: BR112018007967A2; EP3392519A1; US20180363722A1; US10808787B2

Abstract

A presente invenção refere-se a sistemas de molas para aplicações submarinas e em projetos de equipamentos para a área de óleo e gás. Os sistemas de molas segundo a presente invenção são preferencialmente fabricados com materiais compósitos e compreendem, pelo menos, um par de molas (3) consistindo de um primeiro componente de mola (1) e um segundo componente de mola (2), montado de modo a oferecer uma primeira região de contato central (4) e áreas de dupla curvatura e ressalto formando um engate (6), dito par de molas (3) sendo assim auto-centralizável.

Description

"SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO"

Campo da Invenção

[001 ] A presente invenção trata de sistemas de molas para serem utilizados em aplicações submarinas e em projetos de equipamentos para a área de óleo e gás. Mais especificamente, a presente invenção trata de sistemas de molas com topologia de montagem similar à utilizada em molas do tipo Belleville. Preferencialmente, as molas de acordo com a presente invenção são fabricadas com materiais compósitos, materiais metálicos ou qualquer outro material que venha a ser desenvolvido e assim possa ser aplicado nas referidas molas.

Histórico da Invenção

[002] Como bem conhecido dos técnicos versados no assunto, as molas helicoidais fabricadas com materiais metálicos são amplamente utilizadas em equipamentos mecânicos. Na área de óleo e gás são muito utilizadas em atuadores hidráulicos submarinos, mas requerendo sua imersão em óleo para garantir resistência à corrosão em ambientes marinhos. A aplicação dessas molas helicoidais exige ainda a utilização de um sistema de compensação de pressão para proporcionar seu adequado funcionamento.

[003] Molas Belleville, também chamadas de arruelas Belleville, molas disco, cónicas ou anilhas Belleville foram reveladas por J. F. Belleville em 1867 e, naquela época, se constituíam em um novo tipo de mola com relação não linear entre a carga de trabalho e a deformação.

[004] Uma propriedade dessa classe de molas é a alta capacidade de armazenamento de energia potencial elástica com pouca deflexão, permitindo assim sua aplicação em projetos que requerem dimensões reduzidas, podendo também ser utilizada com diferentes configurações, em série, paralelo ou em um arranjo duplo. Essas molas também são utilizadas para manter altas tensões em aplicações aparafusadas como comutadores, compensando diferentes taxas de expansão em articulações e mantendo a pressão necessária. Exemplos de aplicações estão em todos os campos da engenharia mecânica, desde atuadores hidráulicos submarinos, aplicação objetivada pela presente invenção, embreagens e sistemas de amortecimento, até em amortecedores de calçados.

[005] A mola do tipo Belleville tem formato cónico, sendo normalmente fabricada em materiais metálicos. Na área de óleo e gás é utilizada principalmente em atuadores hidráulicos submarinos, em casos que se exige um elevado nível de armazenamento de energia potencial elástica. No entanto, essas molas apresentam algumas deficiências como peso, fator este cada vez mais importante na eficiência de execução de um projeto, susceptibilidade de corrosão e fragilização por hidrogénio produzido pela proteção catódica. Uma solução é mantê-las imersas em solução de óleo e isoladas do ambiente marinho, tal como ocorre com as molas helicoidais, entretanto esses sistemas requerem compensação de pressão para permitir o movimento da mola. Outros problemas estão relacionados aos sistemas de vedação e contaminação quando armazenados por altos períodos de tempo. Tais soluções aumentam o tamanho do equipamento e consequentemente os custos de produção e transporte.

[006] Não obstante, as molas do tipo Belleville possuem uma grande flexibilidade para projeto, podendo ser montadas em conjuntos em serie para aumento do curso admissível, bem como em conjuntos em paralelo para o aumento da capacidade de armazenamento de energia potencial elástica para um mesmo valor de deslocamento. As molas do tipo Belleville são também chamadas de molas prato, tendo em vista seu formato geral circular. Da mesma forma que as molas helicoidais, apresentam a desvantagem de estarem sujeitas à corrosão e à fragilização por hidrogénio produzido pela proteção catódica. Vários documentos de patentes revelam montagens desse tipo de mola, alguns a seguir citados como exemplo.

[007] O documento JPH1054432(A) revela uma associação de molas Belleville desenvolvidas para solucionar problemas relacionados ao movimento lateral relativo entre as molas que compõem a associação. Tendo isso em vista, dita associação prevê discos providos de protuberâncias e sulcos em lados opostamente simétricos, como pode ser observado na Figura 4 do documento, de modo a proporcionar a correta montagem e fixação dos elementos entre si. Essa associação, no entanto, necessita de dois ressaltos para auto-centralizar as molas, o que representa uma dificuldade de fabricação e montagem do conjunto.

[008] O documento JPS62237129A também ilustra um tipo de montagem dessas molas, porém requer a presença de luvas nas molas que são preenchidos com um arame curvado através do qual a força é transmitida.

[009] O documento US201 1037210(A1 ) descreve molas disco de formato cónico. Essas molas possuem característica de montagem em que uma pluralidade de discos podem ser montados em série, ou paralelo, sendo axialmente alinhados. No entanto, a montagem de um feixe dessas molas requer obrigatoriamente um elemento auxiliar que tem a função de centralizar ditas molas na configuração em série de forma que se possa conseguir o alinhamento axial das mesmas.

[0010] Assim, é o principal objetivo da presente invenção prover um sistema de molas para altas cargas de trabalho que possa solucionar vantajosamente as deficiências daqueles existentes no estado da técnica, notadamente em aplicações submarinas, pelo fato de que ditas molas possuem geometria cilíndrica que possibilita sua auto-centralização em qualquer posição de montagem sem necessidade de qualquer elemento complementar, independentemente do tipo de montagem.

[001 1 ] Com esse objetivo, as molas segundo a presente invenção possuem geometria completamente diferente e mais adequada para a produção e funcionamento com materiais compósitos.

[0012] De uma forma geral, um sistema de molas para altas cargas de trabalho segundo a presente invenção compreenderá um par de molas que se auto- centraliza, sendo uma primeira mola cilíndrica e uma segunda mola cilíndrica com dupla curvatura, de modo a permitir um sistema auto-centralizado em todas e quaisquer posições de montagem.

Descrição Resumida da Invenção

[0013] De acordo com a presente invenção, é provido um sistema de molas do tipo Belleville, montado em série, paralelo ou qualquer combinação dessas, ditas molas sendo produzidas preferencialmente em materiais compósitos, as quais incorporam mecanismos de auto-centralização e são adequadamente aplicadas para operação com altas cargas de trabalho.

[0014] Como será apreciado, o sistema de molas segundo a presente invenção e configurado em pelo menos um par de componentes, compreendendo em sua região de contato regiões de dupla curvatura e ressalto, sendo essa característica responsável pela auto-centralização do conjunto. A topologia de montagem pode ser uma similar àquelas das molas Belleville, porém diferindo destas pela sua geometria, tendo em vista que enquanto um componente de mola tem formato predominantemente cilíndrico, o segundo componente de mola tem formato cilíndrico por partes.

[0015] Observa-se, então, que o sistema de molas segundo a presente invenção compreende um par que se auto-centraliza, sendo uma primeira mola cilíndrica e uma segunda mola cilíndrica com dupla curvatura para permitir a auto-centralização em todas as posições de montagem.

Breve Descrição das Figuras

[0016] O sistema de molas para altas cargas de trabalho segundo a presente invenção poderá ser bem compreendido a partir das figuras ilustrativas em anexo, as quais de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo representam:

- Figura 1 - vista frontal de um par de componentes do sistema de molas segundo a presente invenção;

- Figura2 - vista frontal de um sistema de molas segundo a presente invenção montado em série;

- Figura 3 - vista frontal de um sistema de molas segundo a presente invenção montado em paralelo;

- Figura 4 - vista em perspectiva do sistema de molas ilustrado na montagem da Figura 2;

- Figura 5 - Detalhe ampliado da característica de auto-centralização dos componentes do sistema de molas ilustrado na Figura 2;

- Figura 6 - Base de conceitos para fabricação de um componente do sistema de molas segundo a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0017] Em um primeiro aspecto, de acordo com a Figura 1 , a presente invenção fornece um sistema de molas para altas cargas de trabalho que compreende pelo menos um par de molas (3) formado por um primeiro componente de mola (1 ) e um segundo componente de mola (2). Ditos primeiro componente de mola (1 ) e segundo componente de mola (2) possuem topologia similar às molas Belleville, mas destas diferindo pela sua geometria. [0018] O componente de mola (1 ) possui geometria predominantemente cilíndrica, enquanto que o componente de mola (2) possui geometria cilíndrica por partes. Assim, pode ser verificado que se obtém uma primeira região de contato central (4) entre ditos primeiro componente de mola (1 ) e segundo componente de mola (2), que permitem a auto-centralização dos componentes (1 ) e (2).

[0019] O sistema de molas segundo a presente invenção pode ser montado, por exemplo, conforme ilustrado nas Figuras 2 e 4, em uma configuração em série. Nesse sistema de montagem em série, têm-se dois pares de molas (3), sendo um primeiro par de molas compreendendo um primeiro componente de mola (1 ) e um segundo componente de mola (2), dito primeiro par de molas sendo montado de forma contígua, ou seja, em série, com um segundo par de molas compreendendo um primeiro componente de mola (1 a) e um segundo componente de mola (2a).

[0020] Conforme ilustrado em detalhe ampliado na Figura 5, nessa condição, além de se obter uma primeira região de contato central (4) entre ditos primeiro componente de mola (1 ) e segundo componente de mola (2), também se obtém uma segunda região de contato (5) através de áreas de dupla curvatura e ressalto para que o conjunto proporcione características de auto- centralização, impedindo assim movimentos relativos transversais entre o dito segundo componente de mola (2) e o subsequente primeiro componente de mola (1 a), por meio de um engate (6).

[0021 ] O sistema de molas segundo a presente invenção pode ainda ser montado, por exemplo, conforme ilustrado na Figura 3, em uma configuração em paralelo. Nesse sistema de montagem em paralelo, têm-se um primeiro conjunto de componentes de molas (1 , 1 a) montadas em paralelo, o qual forma um primeiro par de molas (7a) com um segundo conjunto de componentes de molas (2, 2a) também montadas em paralelo. Como pode ser observado, dito primeiro par de molas (7a) pode ser assim montado em uma configuração em série com um segundo par de molas (7b), provendo com este as mesmas características de região de contato (5) através de áreas de dupla curvatura e ressalto para que o conjunto obtenha a característica de auto-centralização, impedindo assim movimentos relativos transversais entre ditos primeiro par mola (7a) e segundo par de molas (7b) por via de um engate (6).

[0022] O sistema de montagem em paralelo, segundo a Figura 3 acima descrita, é especialmente adequado para ser utilizado para aumento da força máxima do sistema de mola segundo a presente invenção, para uma mesma deformação.

[0023] Em um segundo aspecto, a presente invenção proporciona dois conceitos de fabricação das molas para altas cargas de trabalho acima descritas, conforme ilustrado na Figura 6. No conceito 1 , o laminado de compósito (10) é fabricado por qualquer processo conhecido, mas deve ser tal que proporcione a realização de um orifício central (20) para a passagem da haste de um atuador hidráulico. No conceito 2, dita mola deve ser fabricada por meio de dois laminados (30, 40) unidos por uma matriz (50, 60) de modo a proporcionar um orifício (70) para a passagem da haste de um atuador hidráulico.

[0024] A mola do sistema de mola segundo a presente invenção pode ser fabricada utilizando várias metodologias de fabricação. O material compósito com matriz em peek e fibra de carbono é preferido, mas não a ele limitado, quando a utilização do sistema de molas for direcionada ao ambiente submarino. Assim, outros materiais podem ser utilizados, incluindo os materiais metálicos.

[0025] A utilização de materiais compósitos na fabricação das molas que compõem o sistema de molas segundo a presente invenção tem a vantagem de eliminar todos os problemas de corrosão e de compatibilidade com o hidrogénio liberado pelos sistemas de proteção catódica em ambientes submarinos. A eliminação da necessidade de manter um reservatório de compensação de pressão é outra das grandes vantagens de utilização de materiais compósitos para ditas molas utilizadas em ambiente submarino.

[0026] Além disso, a utilização do sistema de molas segundo a presente invenção em atuadores submarinos permitirá a redução de custo do projeto de equipamentos com a redução do tamanho dos blocos da árvore de natal submarina, além de um consequente aumento da confiabilidade dos equipamentos com sua simplificação.

[0027] O sistema de molas objeto da presente invenção foi concebido com vistas à utilização em equipamentos submarinos, para o armazenamento de energia potencial elástica para o acionamento de válvulas submarinas através de atuadores hidráulicos. Não obstante, essa aplicação não é única, tendo em vista que o sistema de molas segundo a presente invenção pode ser utilizado para o armazenamento de energia em qualquer tipo de equipamento submarino, ou mesmo de superfície, na área de óleo e gás, como também em outras áreas de aplicações gerais da engenharia mecânica.

[0028] Os técnicos versados no assunto apreciarão, ainda, que a geometria da mola que compõe o sistema de molas da presente invenção confere uma importante característica, relacionada ao fato de a mesma ser auto- centralizável, sendo esta uma vantagem extra em relação às molas tipo Belleville do estado da técnica, as quais não possuem essa característica.

Claims

Reivindicações

1 . SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, caracterizado por compreender pelo menos um par de molas (3) consistindo de um primeiro componente de mola (1 ) e um segundo componente de mola (2), dito primeiro componente de mola (1 ) possuindo geometria predominantemente cilíndrica e dito componente de mola (2) possuindo geometria cilíndrica por partes, sendo que o dito par de molas (3) possui uma primeira região de contato central (4) entre ditos primeiro componente de mola (1 ) e segundo componente de mola (2) e áreas de dupla curvatura e ressalto formando um engate (6), dito par de molas (3) sendo assim auto-centralizável.

2. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que compreende mais de um par de molas (3) montados em série ou em paralelo.

3. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende uma montagem em série consistindo de, pelo menos, dois pares de molas (3), sendo um primeiro par de molas compreendendo um primeiro componente de mola (1 ) e um segundo componente de mola (2), dito primeiro par de molas sendo montado de forma contígua com um segundo par de molas compreendendo um primeiro componente de mola (1 a) e um segundo componente de mola (2a).

4. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que nessa montagem em série se obtém uma primeira região de contato central (4) entre ditos primeiro componente de mola (1 ) e segundo componente de mola (2) e uma segunda região de contato (5) através de áreas de dupla curvatura e ressalto formando um engate (6).

5. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende uma montagem em paralelo consistindo de um primeiro conjunto de componentes de molas (1 , 1 a) montadas em paralelo, o qual forma um primeiro par de molas (7a) com um segundo conjunto de componentes de molas (2, 2a) também montadas em paralelo.

6. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende um primeiro par de molas (7a) e um segundo par de molas (7b), montados em série de forma a prover uma região de contato (5) através de áreas de dupla curvatura e ressalto formando um engate (6) de auto-centralização do sistema.

7. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que ditas molas (1 , 1 a, 1 b, 1 c, 2, 2a, 2b, 2c) são produzidas em material compósito, sendo um laminado dotado de um orifício central (20) para a passagem da haste de um atuador hidráulico.

8. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que ditas molas (1 , 1 a, 1 b, 1 c, 2, 2a, 2b, 2c) são produzidas em material compósito, sendo dois laminados (30, 40) unidos por uma matriz (50, 60) de modo a proporcionar um orifício (70) para a passagem da haste de um atuador hidráulico.

9. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é utilizado para aumento da força máxima para uma mesma deformação.

10. SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é fabricado com matriz em peek e fibra de carbono para aplicações em ambiente submarino.

1 1 . SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO, de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é utilizado em equipamentos submarinos para o armazenamento de energia potencial elástica para o acionamento de válvulas submarinas através de atuadores hidráulicos.