Αρχή Σφράγισης του O-ring
Ένα O-ring, επίσης γνωστό ως δακτύλιος O, είναι ένας ελαστικός δακτύλιος με κυκλική διατομή. Είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη σφράγιση σε υδραυλικά και πνευματικά συστήματα. Τα O-rings προσφέρουν εξαιρετικές ιδιότητες σφράγισης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για στατικές όσο και για παλινδρομικές σφραγίσεις. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα και αποτελούν βασικό συστατικό πολλών αρθρωτών συστημάτων σφράγισης. Έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Εάν το υλικό επιλεγεί σωστά, μπορούν να καλύψουν τις απαιτήσεις διαφόρων συνθηκών λειτουργίας. Οι πιέσεις λειτουργίας κυμαίνονται από ένα κενό 1,333 × 10⁵Pa έως μια υψηλή πίεση 400 MPa και οι θερμοκρασίες εκτείνονται από -60°C έως 200°C.
Σε σύγκριση με άλλους τύπους σφραγίσεων, τα O-rings έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
1) Μικρό μέγεθος και εύκολη συναρμολόγηση και αποσυναρμολόγηση.
2) Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για στατική όσο και για δυναμική σφράγιση, με σχεδόν καμία διαρροή όταν χρησιμοποιούνται ως στατική σφράγιση.
3) Ένα μόνο O-ring παρέχει αμφίδρομη σφράγιση.
4) Χαμηλή δυναμική τριβή.
Το O-ring είναι ένας τύπος σφράγισης εξώθησης. Η βασική αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην ελαστική παραμόρφωση του στοιχείου σφράγισης, δημιουργώντας πίεση επαφής στην επιφάνεια σφράγισης. Εάν η πίεση επαφής υπερβαίνει την εσωτερική πίεση του σφραγισμένου μέσου, θα συμβεί διαρροή. Διαφορετικά, θα συμβεί διαρροή. Οι αιτίες και οι μέθοδοι υπολογισμού της πίεσης επαφής στην επιφάνεια σφράγισης διαφέρουν για τις στατικές και δυναμικές σφραγίσεις και απαιτούν ξεχωριστές εξηγήσεις.
1. Αρχή Σφράγισης για Στατικές Σφραγίσεις
Τα O-rings χρησιμοποιούνται ευρέως σε στατικές σφραγίσεις. Εάν σχεδιαστούν και χρησιμοποιηθούν σωστά, τα O-rings μπορούν να επιτύχουν μια απόλυτη σφράγιση χωρίς διαρροές.
Αφού ένα O-ring εγκατασταθεί σε μια αυλάκωση σφράγισης, η διατομή του υφίσταται τάση συμπίεσης επαφής, προκαλώντας ελαστική παραμόρφωση. Αυτό δημιουργεί μια ορισμένη αρχική πίεση επαφής Po στην επιφάνεια επαφής. Ακόμη και χωρίς ή με πολύ χαμηλή πίεση, το O-ring διατηρεί μια σφράγιση λόγω της δικής του ελαστικής δύναμης. Όταν το μέσο υπό πίεση εισέρχεται στο θάλαμο, το O-ring μετατοπίζεται προς την πλευρά χαμηλότερης πίεσης υπό την επίδραση της πίεσης του μέσου, αυξάνοντας περαιτέρω την ελαστική του παραμόρφωση για να γεμίσει και να κλείσει το κενό δ. Σε αυτό το σημείο, η πίεση επαφής στις επιφάνειες ζεύξης του ζεύγους σφράγισης αυξάνεται σε Pm:
Pm=Po+Pp
Όπου Pp είναι η πίεση επαφής που μεταδίδεται στην επιφάνεια επαφής μέσω του O-ring (0,1 MPa).
Pp=K·P
Το K είναι ο συντελεστής μετάδοσης πίεσης, με K=1 για ελαστικά O-rings;
Το P είναι η πίεση του σφραγισμένου υγρού (0,1 MPa).
Αυτό ενισχύει σημαντικά το αποτέλεσμα σφράγισης. Εφόσον το K είναι γενικά ≥ 1, Pm>P. Επομένως, εφόσον υπάρχει αρχική πίεση στο O-ring, μπορεί να επιτύχει μια απόλυτη σφράγιση χωρίς διαρροές. Αυτή η ιδιότητα του O-ring, η οποία βασίζεται στην πίεση του ίδιου του μέσου για να αλλάξει την κατάσταση επαφής του O-ring και να επιτύχει μια σφράγιση, ονομάζεται αυτοσφράγιση.
Θεωρητικά, ακόμη και αν η παραμόρφωση συμπίεσης είναι μηδέν, μπορεί ακόμα να σφραγίσει υπό πίεση λαδιού. Ωστόσο, στην πράξη, τα O-rings μπορεί να είναι εκκεντρικά κατά την εγκατάσταση. Επομένως, αφού το O-ring εγκατασταθεί στην αυλάκωση σφράγισης, η διατομή του υφίσταται γενικά μια παραμόρφωση συμπίεσης 7%-30%. Ένα υψηλότερο ποσοστό συμπίεσης χρησιμοποιείται για στατικές σφραγίσεις, ενώ ένα χαμηλότερο ποσοστό συμπίεσης χρησιμοποιείται για δυναμικές σφραγίσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή το συνθετικό καουτσούκ συμπιέζεται σε χαμηλές θερμοκρασίες, επομένως η προ-συμπίεση των στατικών O-rings θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τη συρρίκνωσή του σε χαμηλή θερμοκρασία.
2. Αρχές Σφράγισης για Σφραγίσεις Παλινδρομικής Κίνησης
Οι σφραγίσεις παλινδρομικής κίνησης είναι μια κοινή απαίτηση σφράγισης σε υδραυλικά και πνευματικά εξαρτήματα και συστήματα. Οι σφραγίσεις παλινδρομικής κίνησης χρησιμοποιούνται σε έμβολα κυλίνδρων ισχύος και σώματα κυλίνδρων, παρεμβολή εμβόλου-κυλίνδρου και κεφαλές κυλίνδρων και διάφορους τύπους συρόμενων βαλβίδων. Ένα κενό σχηματίζεται μεταξύ μιας κυλινδρικής ράβδου και μιας κυλινδρικής οπής, εντός της οποίας η ράβδος κινείται αξονικά. Η σφράγιση περιορίζει την αξονική διαρροή του υγρού. Όταν χρησιμοποιείται ως σφράγιση παλινδρομικής κίνησης, οι ιδιότητες προ-σφράγισης και αυτοσφράγισης του O-ring είναι παρόμοιες με αυτές των στατικών σφραγίσεων. Επιπλέον, λόγω της εγγενούς ελαστικότητάς του, το O-ring μπορεί αυτόματα να αντισταθμίσει τη φθορά. Ωστόσο, κατά τη σφράγιση υγρών μέσων, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη από ό,τι με τις στατικές σφραγίσεις λόγω της επίδρασης της ταχύτητας της ράβδου, της πίεσης του υγρού και του ιξώδους.
Όταν τα υγρά είναι υπό πίεση, τα μόρια του υγρού αλληλεπιδρούν με τη μεταλλική επιφάνεια. Τα πολικά μόρια στο λάδι ευθυγραμμίζονται σφιχτά και ομοιόμορφα στην μεταλλική επιφάνεια, σχηματίζοντας μια ισχυρή οριακή μεμβράνη μεταξύ της συρόμενης επιφάνειας και της σφράγισης, η οποία ασκεί ισχυρή πρόσφυση στη συρόμενη επιφάνεια. Αυτή η μεμβράνη υγρού υπάρχει πάντα μεταξύ της σφράγισης και της παλινδρομικής επιφάνειας, παρέχοντας ένα ορισμένο βαθμό σφράγισης και κρίσιμο για τη λίπανση της κινούμενης επιφάνειας σφράγισης. Ωστόσο, είναι επιζήμιο για τη διαρροή. Όταν ο παλινδρομικός άξονας τραβιέται προς τα έξω, η μεμβράνη υγρού στον άξονα τραβιέται μαζί του. Λόγω της ενέργειας «σκουπίσματος» της σφράγισης, όταν ο παλινδρομικός άξονας αναστέλλεται, αυτή η μεμβράνη υγρού συγκρατείται έξω από το στοιχείο σφράγισης. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός των παλινδρομικών διαδρομών, συγκρατείται περισσότερο υγρό έξω, σχηματίζοντας τελικά σταγονίδια λαδιού, τα οποία αντιπροσωπεύουν διαρροή σε παλινδρομικές σφραγίσεις. Επειδή το ιξώδες του υδραυλικού λαδιού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, το πάχος της μεμβράνης λαδιού μειώνεται ανάλογα. Επομένως, όταν ο υδραυλικός εξοπλισμός ξεκινά σε χαμηλές θερμοκρασίες, η διαρροή είναι μεγαλύτερη στην αρχή της κίνησης. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται λόγω διαφόρων απωλειών κατά την κίνηση, η διαρροή τείνει να μειώνεται σταδιακά.
Τα O-rings, ως παλινδρομικές σφραγίσεις, είναι συμπαγή και μικρού μεγέθους και χρησιμοποιούνται κυρίως σε:
1) Υδραυλικά εξαρτήματα χαμηλής πίεσης, γενικά περιορισμένα σε μικρές διαδρομές και μέσες πιέσεις γύρω στα 10 MPa.
2) Μικρής διαμέτρου, μικρής διαδρομής, υδραυλικές βαλβίδες πηνίου μέσης πίεσης.
3) Πνευματικές βαλβίδες πηνίου και κυλίνδρους.
4) Ως ελαστομερή σε συνδυασμένες παλινδρομικές σφραγίσεις.
Τα O-rings είναι τα καταλληλότερα ως παλινδρομικές σφραγίσεις για μικρές διαμέτρους, μικρές διαδρομές και χαμηλές έως μέσες πιέσεις, όπως σε παλινδρομικά εξαρτήματα όπως πνευματικούς κυλίνδρους και βαλβίδες πηνίου. Σε υδραυλικά εξαρτήματα, η χρήση O-rings ως κύριων δυναμικών σφραγίσεων περιορίζεται γενικά σε μικρές διαδρομές και μέσες έως χαμηλές πιέσεις γύρω στα 10 MPa. Τα O-rings δεν είναι κατάλληλα για παλινδρομικές σφραγίσεις πολύ χαμηλής ταχύτητας ή ως η μόνη σφράγιση για εφαρμογές παλινδρομικής κίνησης υψηλής πίεσης. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλή τριβή σε αυτές τις συνθήκες, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη αστοχία της σφράγισης. Σε οποιαδήποτε εφαρμογή, η σφράγιση πρέπει να χρησιμοποιείται σύμφωνα με τα ονομαστικά της δεδομένα ή την ικανότητα και να συναρμολογείται σωστά για να επιτευχθεί ικανοποιητική απόδοση.
3. Περιστροφικές Σφραγίσεις
Οι σφραγίσεις λαδιού και οι μηχανικές σφραγίσεις χρησιμοποιούνται συνήθως για περιστροφικές σφραγίσεις. Ωστόσο, οι σφραγίσεις λαδιού λειτουργούν σε χαμηλότερες πιέσεις και είναι μεγαλύτερες, πιο περίπλοκες και λιγότερο κατασκευάσιμες από τα O-rings. Ενώ οι μηχανικές σφραγίσεις μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές πιέσεις (40 MPa), υψηλές ταχύτητες (50 m/s) και υψηλές θερμοκρασίες (400°C), η πιο περίπλοκη και ογκώδης δομή τους και το υψηλό κόστος τους τις καθιστούν κατάλληλες μόνο για βαριά μηχανήματα στις βιομηχανίες πετρελαίου και χημικών.
Το κύριο πρόβλημα με τα O-rings για περιστροφικές εφαρμογές είναι η θέρμανση Joule. Αυτή η τριβική θερμότητα που δημιουργείται στο σημείο επαφής μεταξύ του περιστρεφόμενου άξονα υψηλής ταχύτητας και του O-ring προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας αυτών των σημείων επαφής συνεχώς, παραμορφώνοντας σοβαρά το ελαστικό υλικό και προκαλώντας αλλαγές στη συμπίεση και την επιμήκυνση. Αυτή η θερμότητα επιταχύνει επίσης τη γήρανση του υλικού σφράγισης, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής του O-ring. Καταστρέφει επίσης τη μεμβράνη λαδιού σφράγισης, προκαλώντας θραύση λαδιού και επιταχύνοντας τη φθορά της σφράγισης.
Με βάση την παραπάνω κατάσταση, έχουν διεξαχθεί εκτεταμένες και εις βάθος έρευνες τόσο εγχώρια όσο και διεθνώς σε O-rings για περιστροφική κίνηση τα τελευταία χρόνια. Για να αποφευχθεί η θέρμανση Joule, το κλειδί έγκειται στην σωστή επιλογή των δομικών παραμέτρων του O-ring με βάση τις ιδιότητες του ελαστικού, κυρίως την επιμήκυνση και το ποσοστό συμπίεσης του O-ring. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι τα O-rings για περιστροφική κίνηση θα πρέπει να σχεδιάζονται με εσωτερική διάμετρο ίση ή ελαφρώς μεγαλύτερη από τη διάμετρο του περιστρεφόμενου άξονα, συνήθως 3% έως 5% μεγαλύτερη. Κατά την εγκατάσταση, το O-ring συμπιέζεται από την εσωτερική διάμετρο προς τα μέσα και η συμπίεση της διατομής έχει σχεδιαστεί να είναι ελάχιστη, συνήθως γύρω στο 5%. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται υλικά σφράγισης με ελάχιστο θερμικό αντίκτυπο όποτε είναι δυνατόν και λαμβάνεται υπόψη η σωστή απαγωγή θερμότητας στον τόπο εγκατάστασης του O-ring. Αυτό βελτιώνει σημαντικά την απόδοση των O-rings, επιτρέποντας την εφαρμογή τους στη σφράγιση περιστρεφόμενων αξόνων με ταχύτητες έως και 4 m/s.
Πρόσφατα, έχουν εμφανιστεί θερμοανθεκτικό φθοριοκαουτσούκ και ανθεκτικό στην φθορά πολυουρεθανικό καουτσούκ και με μια βαθύτερη κατανόηση της επίδρασης της θέρμανσης Joule σε ελαστικά εξαρτήματα, έχουν αναπτυχθεί λύσεις για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, οδηγώντας στο σχεδιασμό νέων δομών σφράγισης O-ring που ταιριάζουν καλύτερα στην περιστροφική κίνηση υψηλής ταχύτητας και υψηλής πίεσης.
Τα O-rings χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές σφράγισης περιστροφικής κίνησης λόγω του μικρού τους μεγέθους, της απλής δομής, του χαμηλού κόστους, της καλής απόδοσης επεξεργασίας και του ευρέος φάσματος εφαρμογών.