Zasada uszczelniania O-ringu
O-ring, znany również jako uszczelka O-ring, to gumowy pierścień o okrągłym przekroju. Jest to najczęściej stosowane uszczelnienie w układach hydraulicznych i pneumatycznych. O-ringi oferują doskonałe właściwości uszczelniające i mogą być używane zarówno do uszczelnień statycznych, jak i posuwisto-zwrotnych. Mogą być używane niezależnie i są podstawowym elementem wielu modułowych systemów uszczelniających. Mają szeroki zakres zastosowań. Jeśli materiał zostanie odpowiednio dobrany, mogą spełniać wymagania różnych warunków pracy. Ciśnienia robocze wahają się od próżni 1,333 × 10⁵Pa do wysokiego ciśnienia 400 MPa, a temperatury od -60°C do 200°C.
W porównaniu z innymi typami uszczelnień, O-ringi mają następujące zalety:
1) Mały rozmiar i łatwy montaż i demontaż.
2) Mogą być używane zarówno do uszczelniania statycznego, jak i dynamicznego, praktycznie bez wycieków, gdy są używane jako uszczelnienie statyczne.
3) Pojedynczy O-ring zapewnia uszczelnienie dwukierunkowe.
4) Niskie tarcie dynamiczne.
O-ring jest rodzajem uszczelnienia wytłaczanego. Jego podstawowa zasada działania opiera się na elastycznej deformacji elementu uszczelniającego, tworząc ciśnienie kontaktowe na powierzchni uszczelniającej. Jeśli ciśnienie kontaktowe przekracza ciśnienie wewnętrzne uszczelnianego medium, nastąpi wyciek; w przeciwnym razie nastąpi wyciek. Przyczyny i metody obliczania ciśnienia kontaktowego na powierzchni uszczelniającej różnią się w przypadku uszczelnień statycznych i dynamicznych i wymagają oddzielnych wyjaśnień.
1. Zasada uszczelniania dla uszczelnień statycznych
O-ringi są najczęściej stosowane w uszczelnieniach statycznych. Jeśli są prawidłowo zaprojektowane i używane, O-ringi mogą osiągnąć szczelne, absolutne uszczelnienie.
Po zamontowaniu O-ringu w rowku uszczelniającym, jego przekrój poprzeczny ulega naprężeniu ściskającemu, powodując odkształcenie sprężyste. Powoduje to powstanie pewnego początkowego ciśnienia kontaktowego Po na powierzchni styku. Nawet przy braku lub bardzo niskim ciśnieniu, O-ring utrzymuje uszczelnienie dzięki własnej sile sprężystości. Gdy medium pod ciśnieniem dostaje się do komory, O-ring przesuwa się w kierunku strony o niższym ciśnieniu pod wpływem ciśnienia medium, dodatkowo zwiększając swoje odkształcenie sprężyste, aby wypełnić i zamknąć szczelinę δ. W tym momencie ciśnienie kontaktowe na powierzchniach współpracujących pary uszczelniającej wzrasta do Pm:
Pm=Po+Pp
Gdzie Pp jest ciśnieniem kontaktowym przenoszonym na powierzchnię styku przez O-ring (0,1 MPa).
Pp=K·P
K jest współczynnikiem przenoszenia ciśnienia, przy czym K=1 dla gumowych O-ringów;
P jest ciśnieniem uszczelnionego płynu (0,1 MPa).
To znacznie zwiększa efekt uszczelnienia. Ponieważ K jest generalnie ≥ 1, Pm>P. Dlatego, o ile istnieje początkowe ciśnienie na O-ringu, może on osiągnąć szczelne, absolutne uszczelnienie. Ta właściwość O-ringu, która opiera się na ciśnieniu samego medium, aby zmienić stan kontaktu O-ringu i osiągnąć uszczelnienie, nazywana jest samozaciskaniem.
Teoretycznie, nawet jeśli odkształcenie ściskające wynosi zero, nadal może uszczelniać pod ciśnieniem oleju. Jednak w praktyce O-ringi mogą być mimośrodowe podczas instalacji. Dlatego po zamontowaniu O-ringu w rowku uszczelniającym, jego przekrój poprzeczny generalnie doświadcza odkształcenia ściskającego w zakresie 7%-30%. Wyższy współczynnik kompresji jest stosowany do uszczelnień statycznych, podczas gdy niższy współczynnik kompresji jest stosowany do uszczelnień dynamicznych. Dzieje się tak dlatego, że guma syntetyczna kompresuje się w niskich temperaturach, więc wstępne sprężenie statycznych O-ringów powinno uwzględniać ich skurcz w niskiej temperaturze.
2. Zasady uszczelniania dla uszczelnień ruchu posuwisto-zwrotnego
Uszczelnienia ruchu posuwisto-zwrotnego są powszechnym wymogiem uszczelniania w elementach i systemach hydraulicznych i pneumatycznych. Uszczelnienia ruchu posuwisto-zwrotnego są stosowane w tłokach cylindrów mocy i korpusach cylindrów, w połączeniach tłok-cylinder i głowicach cylindrów oraz w różnych typach zaworów suwakowych. Szczelina powstaje między cylindrycznym prętem a cylindrycznym otworem, w którym pręt porusza się osiowo. Uszczelnienie ogranicza osiowy wyciek płynu. Gdy jest używany jako uszczelnienie ruchu posuwisto-zwrotnego, wstępne uszczelnianie i samozaciskanie O-ringu są podobne do tych w uszczelnieniach statycznych. Ponadto, ze względu na swoją inherentną elastyczność, O-ring może automatycznie kompensować zużycie. Jednak podczas uszczelniania mediów ciekłych sytuacja jest bardziej złożona niż w przypadku uszczelnień statycznych ze względu na wpływ prędkości pręta, ciśnienia cieczy i lepkości.
Gdy ciecze są pod ciśnieniem, cząsteczki cieczy oddziałują z metalową powierzchnią. Cząsteczki polarne w oleju ustawiają się ciasno i równomiernie na metalowej powierzchni, tworząc silną warstwę graniczną między powierzchnią ślizgową a uszczelnieniem, która wywiera silną adhezję do powierzchni ślizgowej. Ta warstwa cieczy zawsze istnieje między uszczelnieniem a powierzchnią posuwisto-zwrotną, zapewniając pewien stopień uszczelnienia i kluczową dla smarowania ruchomej powierzchni uszczelniającej. Jednak jest to szkodliwe dla wycieków. Gdy wał posuwisto-zwrotny jest wyciągany na zewnątrz, warstwa cieczy na wale jest ciągnięta wraz z nim. Ze względu na działanie "wycierania" uszczelnienia, gdy wał posuwisto-zwrotny się cofa, ta warstwa cieczy jest zatrzymywana na zewnątrz przez element uszczelniający. Wraz ze wzrostem liczby ruchów posuwisto-zwrotnych, więcej cieczy jest zatrzymywane na zewnątrz, ostatecznie tworząc kropelki oleju, które reprezentują wyciek w uszczelnieniach posuwisto-zwrotnych. Ponieważ lepkość oleju hydraulicznego maleje wraz ze wzrostem temperatury, grubość filmu olejowego odpowiednio maleje. Dlatego, gdy sprzęt hydrauliczny jest uruchamiany w niskich temperaturach, wyciek jest większy na początku ruchu. Wraz ze wzrostem temperatury z powodu różnych strat podczas ruchu, wyciek ma tendencję do stopniowego zmniejszania się.
O-ringi, jako uszczelnienia posuwisto-zwrotne, są kompaktowe i małe, i są przede wszystkim używane w:
1) Niskociśnieniowych elementach hydraulicznych, generalnie ograniczonych do krótkich skoków i średnich ciśnień w okolicach 10 MPa.
2) Małowymiarowych, krótkoskokowych, średniociśnieniowych zaworach suwakowych hydraulicznych.
3) Pneumatycznych zaworach suwakowych i cylindrach.
4) Jako elastomery w połączonych uszczelnieniach posuwisto-zwrotnych.
O-ringi najlepiej nadają się jako uszczelnienia posuwisto-zwrotne dla małych średnic, krótkich skoków i niskich do średnich ciśnień, takich jak w elementach posuwisto-zwrotnych, takich jak cylindry pneumatyczne i zawory suwakowe. W elementach hydraulicznych stosowanie O-ringów jako głównych uszczelnień dynamicznych jest generalnie ograniczone do krótkich skoków i średnich do niskich ciśnień w okolicach 10 MPa. O-ringi nie nadają się do uszczelnień posuwisto-zwrotnych o bardzo niskiej prędkości ani jako jedyne uszczelnienie do zastosowań posuwisto-zwrotnych wysokociśnieniowych. Wynika to przede wszystkim z wysokiego tarcia w tych warunkach, które może prowadzić do przedwczesnej awarii uszczelnienia. W każdym zastosowaniu uszczelnienie musi być używane zgodnie z jego danymi znamionowymi lub wydajnością i prawidłowo zmontowane, aby osiągnąć zadowalającą wydajność.
3. Uszczelnienia obrotowe
Uszczelnienia olejowe i uszczelnienia mechaniczne są powszechnie stosowane do uszczelnień obrotowych. Jednak uszczelnienia olejowe działają przy niższych ciśnieniach i są większe, bardziej złożone i mniej wytwarzalne niż O-ringi. Podczas gdy uszczelnienia mechaniczne mogą działać przy wysokich ciśnieniach (40 MPa), wysokich prędkościach (50 m/s) i wysokich temperaturach (400°C), ich bardziej złożona i nieporęczna struktura oraz wysoki koszt sprawiają, że nadają się tylko do ciężkich maszyn w przemyśle naftowym i chemicznym.
Głównym problemem z O-ringami do zastosowań obrotowych jest ogrzewanie Joule'a. To tarcie cieplne generowane w punkcie styku między szybko obracającym się wałem a O-ringiem powoduje ciągły wzrost temperatury tych punktów styku, poważnie deformując gumowy materiał i powodując zmiany w kompresji i wydłużeniu. To ciepło przyspiesza również starzenie się materiału uszczelniającego, zmniejszając żywotność O-ringu. Niszczy również film olejowy uszczelniający, powodując pękanie oleju i przyspieszając zużycie uszczelnienia.
W oparciu o powyższą sytuację, w ostatnich latach przeprowadzono szeroko zakrojone i dogłębne badania zarówno w kraju, jak i za granicą nad O-ringami do ruchu obrotowego. Aby uniknąć ogrzewania Joule'a, kluczem jest prawidłowy dobór parametrów strukturalnych O-ringu w oparciu o właściwości gumy, przede wszystkim wydłużenie i współczynnik kompresji O-ringu. Badania eksperymentalne wykazały, że O-ringi do ruchu obrotowego powinny być zaprojektowane z wewnętrzną średnicą równą lub nieco większą niż średnica obracającego się wału, zazwyczaj o 3% do 5% większą. Podczas instalacji O-ring jest ściskany od średnicy wewnętrznej do wewnątrz, a kompresja przekroju poprzecznego jest zaprojektowana tak, aby była minimalna, zazwyczaj około 5%. Ponadto, materiały uszczelniające o minimalnym wpływie termicznym są używane zawsze, gdy to możliwe, i należy wziąć pod uwagę odprowadzanie ciepła w miejscu instalacji O-ringu. To znacznie poprawia wydajność O-ringów, umożliwiając ich zastosowanie w uszczelnianiu obracających się wałów z prędkością do 4 m/s.
Ostatnio pojawiły się odporne na ciepło fluoroguma i odporna na zużycie guma poliuretanowa, a dzięki głębszemu zrozumieniu efektu ogrzewania Joule'a w elementach gumowych, opracowano rozwiązania, aby rozwiązać ten problem, prowadząc do zaprojektowania nowych struktur uszczelniających O-ringów, które lepiej pasują do ruchu obrotowego o dużej prędkości i wysokim ciśnieniu.
O-ringi są szeroko stosowane w urządzeniach uszczelniających ruch obrotowy ze względu na ich mały rozmiar, prostą strukturę, niski koszt, dobrą wydajność procesową i szeroki zakres zastosowań.