Уплотнительное кольцо — один из самых простых и распространенных типов уплотнений для широкого спектра статических и динамических применений. Конструкция канавки под уплотнительное кольцо относительно проста – при соблюдении четко разработанных правил геометрии канавки получается экономичное и надежное уплотнение. Тенденция уплотнительного кольца возвращаться к своей первоначальной форме при сжатии поперечного сечения является одной из основных причин, по которой уплотнительное кольцо обеспечивает превосходное уплотнение.
Как использовать уплотнительное кольцо?
Проще говоря, уплотнительное кольцо состоит из эластомерного круглого сечения в специально разработанную канавку для уплотнительного кольца, обеспечивающую начальное сжатие.
Усилие, необходимое для сжатия уплотнительного кольца, зависит от твердости и диаметра поперечного сечения. Растяжение уплотнительного кольца влияет на сжатие уплотнения за счет уменьшения поперечного сечения, что снижает возможности уплотнения уплотнительного кольца.
При нулевом или очень низком давлении естественная упругость резиновой смеси обеспечивает уплотнение. Характеристики уплотнения можно улучшить за счет увеличения диаметрального сжатия. Это увеличение сжатия может иметь неблагоприятные последствия в приложениях с динамическим уплотнением при более высоком давлении.
Диаметральное сжатие обеспечивает силу трения между уплотнительным кольцом и канавкой, которая удерживает его в установленном положении. Разработанная для деформации, резиновая смесь течет к экструзионному зазору, полностью герметизируя его от утечек, пока приложенное давление не станет достаточным для преодоления сил трения и деформации уплотнительного кольца в небольшой экструзионный зазор (при условии, что резина достигла своего предел потока под давлением, дальнейшее увеличение силы приведет к разрушению из-за сдвига или экструзии).
Канавка предназначена для обеспечения начального усилия на уплотнении по одной оси в диапазоне 7-30 процентов. Эта сжимающая сила обычно перпендикулярна приложенной силе, в результате чего в канавке на другой оси образуется свободный объем.
Что делает уплотнительное кольцо?
При приложении давления уплотнительное кольцо будет перемещаться в сторону канавки со стороны низкого давления. На уплотняемую поверхность передается уплотняющее давление, которое фактически превышает приложенное давление жидкости на величину, равную начальному давлению натяга.
Увеличение приложенного давления создает напряжение взаимодействия между уплотнением и сопрягаемыми поверхностями. Пока эта ситуация сохраняется, уплотнительное кольцо будет продолжать нормально и надежно функционировать при нагрузке до нескольких сотен фунтов, при условии, что выбранное уплотнительное кольцо имеет правильный размер и канавка обработана до нужного размера.
С увеличением давления деформация кольца будет увеличиваться, что в конечном итоге приведет к выдавливанию части кольца в экструзионный зазор. Если экструзионный зазор слишком велик, уплотнение выйдет из строя после того, как оно будет полностью выдавлено под высоким давлением.
После сброса давления упругость резиновой смеси приводит к тому, что уплотнительное кольцо возвращается к своей естественной форме, готовой к аналогичным циклам.
Эти материалы при нормальной рабочей температуре практически невозможно сжать, и они имеют очень низкий модуль упругости. Вы можете изменить их форму (но не объем), а приложенное диаметральное сжатие приведет к увеличению длины уплотнителя по канавке.
Это увеличение будет еще больше в результате расширения резины из-за тепла от герметизируемой жидкости и совместимости материалов. Размер канавки должен быть подходящего размера, чтобы обеспечить максимальное расширение резиновой смеси, в противном случае в сборе будут возникать очень высокие напряжения.
При приложении достаточного усилия уплотнительное кольцо будет перемещаться в сторону низкого давления, пока не коснется стороны канавки. Дополнительное давление или сила деформируют уплотнительное кольцо в сторону экструзионного зазора. Уплотнительное кольцо сначала деформируется и принимает D-образную форму. Эта деформация увеличит площадь контакта поверхности на 70-80 процентов от первоначального сечения. Площадь контакта с поверхностью уплотнительного кольца под высоким давлением примерно в два раза больше, чем у исходной геометрии при нулевом давлении.
Возможность экструзии уплотнения не ограничивается динамическими применениями.
При статическом осевом применении растяжение сборочных болтов под высоким давлением может открыть зазор экструзии настолько, чтобы обеспечить утечку.
Пределы внутреннего давления определяются зазором и твердостью уплотнительного кольца (некоторые данные приведены на рисунке выше). На практике зазор обычно указывается для данного размера кольца и применения. При работе при низких температурах может потребоваться уменьшить глубину сальника, чтобы компенсировать сжатие кольца и обеспечить необходимое сжатие при сжатом размере.
На другом конце температурной шкалы может оказаться целесообразным немного увеличить глубину канавки, чтобы избежать чрезмерного сжатия кольца при рабочих температурах. Этот эффект может быть значительным при экстремальных температурах, поскольку коэффициент теплового расширения эластомеров выше, чем у металлов.
Ниже представлена первоначальная деформация уплотнительного кольца в канавке уплотнительного кольца. Судя по тому, что мы видим, похоже, что уплотнительное кольцо испытывает давление в системе.
