O-ringar fungerar som ett sätt att täta och stänger i huvudsak av en passage för att förhindra att en vätska, antingen en vätska eller en gas, läcker ut eller försvinner. En O-ring är en cirkulär ring, vanligtvis tillverkad av ett elastomermaterial, med ett cirkulärt tvärsnitt. Tätningen upprättas genom att O-ringen placeras i en hålighet, känd som en körtel. Körteln verkar för att komprimera O-ringen och producerar ett nollspel, vilket effektivt blockerar flödet av vätskan. Tätningseffekten skapas genom axiell eller radiell kompression av O-ringen. För att täta på ett tillförlitligt sätt måste en kontinuerlig "tätningslinje" bildas vid gränsytan mellan O-ringen och den passande glandytan. Skapandet av denna "tätningslinje" är ett resultat av en kombination av glanddesignen, O-ringens tvärsnitt och den korrekta nivån av kompression av det elastomera materialet. Elastomera O-ringar fungerar till skillnad från de flesta materialsystem som ingenjörer arbetar med; den måste deformeras avsevärt för att uppnå korrekt funktion.
Användningen av O-ringar ger designers ett brett utbud av tätningsdesignalternativ. O-ringar kan användas i både statiska situationer där det inte finns någon rörelse mellan de matchande delarna, och i dynamiska applikationer där maskindelarna rör sig i förhållande till varandra.
Det finns tre grundläggande tätningsdesigner som används som använder O-ringar: en stångtätning, en kolvtätning och en fronttätning. När en honkörtel skärs i insidan av maskindelen så att O-ringen är en tätning med innerdiameter med radiell kompression, anses det vara en stångtätning. När en hangland skärs i insidan av maskindelen så att O-ringen är en ytterdiametertätning med radiell kompression, kategoriseras den som en kolvtätning. När tätningen använder axiell kompression, betraktas den som en yttätning. Inom var och en av dessa konstruktioner, med tanke på både statiska och dynamiska applikationer, finns det många konstruktionsalternativ för att påverka den optimala tätningen för applikationen.
Schema som visar de tre grundläggande typerna av tätningskonstruktioner, baserade på tätningskraftens riktning och packningens orientering.
Fel i en O-ring manifesteras vanligtvis som läckage av vätskan som var designad för att tätas. För att till en början uppnå en adekvat O-ringstätning, samt bibehålla tätningen effektivt under en tillfredsställande livslängd, är det viktigt att:
Följ korrekta glanddesignprinciper som möjliggör korrekt förskjutning under kompression och en lämplig toleransstapling.
Använd rätt storlek O-ring för applikationen och designen.
Välj lämpligt O-ringsmaterial baserat på förväntad mekanisk, termisk och kemisk exponering.
Utför förproduktionssimulering och faktiska tester för att verifiera prestanda.
Följ accepterade monteringsmetoder för installation av O-ringen.
Fellägen
I allmänhet anses O-ringstätningar vara särskilt tillförlitliga på grund av O-ringens/glanddesignens enkelhet och den totala materialets elasticitet. Men under ett antal omständigheter kan fel uppstå. O-ringsfel kan sträcka sig från mindre läckage till katastrofalt utrustningshaveri. Oavsett omfattning kan ett O-ringsfel diagnostiseras genom korrekta visuella och analytiska tekniker. Vanliga o-ringsfellägen inkluderar:
Representation av explosiv dekompression i en O-ring av gummi.
Överdriven kompressionsuppsättning
Explosiv dekompression
Installationsskador
Nötning
Spiral vridning
Termisk nedbrytning
Kemiska effekter
Överkompression
När en O-ring misslyckas i förtid är det vanligtvis resultatet av en kombination av faktorer och kan inte tillskrivas en enda orsak. Som med alla misslyckanden finns det faktorer som styr prestanda. Specifikt för O-ringar finns det ett antal potentiella problem under var och en av dessa faktorer:
Design: Otillräcklig glanddesign och o-ring av felaktig storlek.
Material: Dåligt val av O-ringmaterial baserat på förväntade serviceförhållanden.
Tillverkning: O-ringsgummi underhärdning, för tidig härdning, överdriven delningslinje, materialhål eller inneslutningar.
Montering: Insättning resulterar i vridning eller rivning av O-ringen.
Serviceförhållanden: Överdriven termisk exponering, extrem påfrestning eller tryck, oväntad exponering för aggressiva kemiska ämnen.
Det finns ett antal nyckelegenskaper som avsevärt kommer att påverka prestandan hos en O-ringstätning. Kvaliteten på de kortsiktiga tätningsegenskaperna och den långsiktiga hållbarheten och undvikande av fel hos ett O-ringssystem baseras på dessa element.
Sträcka
För att ge en effektiv tätning måste O-ringens innerdiameter vara mindre än den passande komponentens diameter, så att O-ringen sträcks något och sitter tätt. Sträckningen bör vara mellan 1 % och 5 %, med 2 % till 3 % som det ideala i de flesta applikationer. När en O-ring sträcks, minskas dess tvärsnitt och tillplattas. En sammansatt sträckning som är större än 5 % rekommenderas inte eftersom den inre belastningen på O-ringen orsakar snabbare åldrande och förkortar livslängden för de flesta O-ringsmaterial. Å andra sidan kommer otillräcklig sträckning att resultera i en lös passform och i en ökad sannolikhet för läckage.
Pressa
Klämningen av en O-ring definieras som den kompressiva minskningen av tvärsnittstjockleken som ett resultat av avböjning orsakad av glandkonfigurationen. Tendensen hos en O-ring att försöka återgå till sin ursprungliga okomprimerade form när tvärsnittet avböjs, är den grundläggande anledningen till att O-ringar gör så utmärkta tätningar. På grund av detta är klämning en viktig faktor vid utformning av O-ringstätning. Klämningen bestäms av körtelns geometri och O-ringens tvärsnitt. Detta representerar tvärsnittets diametrala kompression av O-ringen mellan ytan av spårets botten och ytan på den andra passande delen i glandenheten.
När den används som en statisk tätning är den maximala rekommenderade klämningen för de flesta elastomerer 30%. Det finns en fara med att klämma mer än 30 % eftersom den extra påfrestningen som induceras kan bidra till för tidig tätningsförsämring. Minsta klämning för alla tätningar, oavsett tvärsnitt, bör vara ca 0,2 mm. Otillräcklig klämning kan orsaka O-ringläckage, så de flesta applikationer kan inte fungera acceptabelt vid ett "nej" eller "noll" klämtillstånd.
Körtelfyllning
Glandfill är procentandelen av glandvolymen som en O-rings tvärsnitt förskjuter när den är instängd inuti glanden i installerat tillstånd. Tillsammans bestämmer O-ringens tvärsnitt och körtelns storlek körtelfyllningen. De flesta O-ringstätningstillämpningar kräver en glandfyllning på mellan 60 % till 85 % av den tillgängliga volymen, där den optimala fyllningen vanligtvis är 75 %, vilket motsvarar 25 % tomrum. Det är viktigt att tillåta minst 10 % tomrum i varje elastomerförsegling. Detta säkerställer att O-ringen inte kommer att överbelastas och att den anpassar sig till den form som behövs för att skapa en tätning.
Ytfinish
Det rekommenderas generellt att ett ytråhetsvärde inte överstiger 32 mikrotum (32 rms) på tätningsytor för statiska tätningar. Detta skulle innebära ytan av det inre av körteln. Också viktigt är typen av grovhet och närvaron av kontinuerliga oregelbundenheter. Repor och åsar som skär över O-ringen kan orsaka läckage, eftersom O-ringen kanske inte penetrerar och tätar dessa ytojämnheter.
Montering
Monteringen måste göras med stor noggrannhet så att O-ringen är korrekt placerad i spåret och inte skadas då packboxen är stängd. En viktig aspekt av detta är den innerdiameterexpansion som behövs för att nå spåret under monteringen. Denna expansion bör inte överstiga 50 % av den slutliga töjningen av den valda O-ringsgummiblandningen.
Det är också viktigt att O-ringen inte vrids under monteringen. Detta kan orsaka överdriven belastning på O-ringselastomeren. Vidare bör O-ringarna aldrig tvingas över oskyddade skarpa hörn, gängor, slitsar, splines, portar eller andra vassa kanter. Stängning av glandenheten bör inte resultera i att O-ringen kläms vid spårets hörn. Gland-stängning bör åstadkommas genom rak längsgående rörelse. Roterande eller oscillerande rörelser är oönskade eftersom det kan orsaka hopklumpning, felinriktning och klämning eller skärning av tätningen.
O-ringsmaterial
När du väljer ett O-ringsmaterial är det viktigt att ta hänsyn till flera faktorer, främst det applicerade trycket, temperaturintervallet över vilket tätningen kommer att fungera och den kemiska vätskan som ska tätas. Vanligtvis kan det vara svårt att balansera de många krav som ställs på en O-ring och resultera i en kompromiss i bästa fall. De flesta material som används för O-ringstillämpningar är elastomeriska, med värmehärdande gummiblandningar och termoplastiska elaster baserade på blocksampolymerer som vanligast. En av fördelarna med att designa med O-ringar är att de kan tillverkas av ett brett utbud av elastomera material för att ge ett funktionellt och hållbart tätningssystem. Ofta förbises antalet och variationen av materialvalskriterier ofta av systemdesigners, vilket kan leda till för tidigt misslyckande. När du väljer rätt O-ringsmaterial måste du vara uppmärksam på följande överväganden och materialegenskaper:
Kemisk kompatibilitet
Termiskt motstånd och nedbrytning
Tålighet vid kall temperatur
Nötnings- och slitstyrka
Kompressions- och spänningsset
Stressavslappning
Rivmotstånd
Koefficient för termisk expansion
Kompressibilitet och kompressionsmodul
Alltför ofta görs val av O-ringsmaterial baserat på enbart durometerhårdhet, vilket kan vara en dålig prediktor för de kortsiktiga och långsiktiga mekaniska egenskaperna hos elastomermaterial.
Ett annat område av potentiell oro är när O-ringar används i kombination med plastkomponenter. Elastomera material, särskilt gummin, blandas ofta med en betydande mängd mjukgörare och olja. Sådana oljor, särskilt esterbaserade oljor inklusive ftalater, adipater, trimellitater, kan verka som aggressiva miljöspänningssprickor (ESC).
O-ring kvalitet
Kvaliteten på O-ringen kommer att ha en relativt stor effekt på tätningssystemets totala prestanda. Detta inkluderar korrekt blandning av gummiblandningen och konsekvent formning av O-ringen. Gummiegenskaper, såsom kompressionssättning, modul, hårdhet och draghållfasthet kommer alla att påverkas direkt av blandnings- och formningsoperationerna. Det är viktigt att god konsistens uppnås. Dessutom finns det rekommendationer om acceptabel nivå av blixt vid avskiljningslinjen. Detta är vanligtvis 0.005 tum bred och 0,003 tum hög. Dessutom bör O-ringen uppvisa en maximal excentricitet på 0,05 mm.
Slutsats
O-ringar kan anses vara gammal teknik när det gäller design och tillverkning av komponenter och sammansättningar. Deras design och funktion är relativt enkel, och de har använts som tätningar sedan tidigt 1800-tal. Det är dock deras enkelhet som förklarar det effektiva sättet på vilket de fungerar i tätningsapplikationer. Med de betydande förändringar som har skett inom teknik, design och tillverkning under de senaste 120 åren, har O-ringar i huvudsak förblivit oförändrade i form och funktion. O-ringar har varit och förblir en enkel, men effektiv och mångsidig tätningslösning.