Уплотнительные кольца действуют как средство герметизации, по существу закрывая проход для предотвращения утечки или потери жидкости, жидкости или газа. Уплотнительное кольцо представляет собой круглое кольцо, обычно изготовленное из эластомерного материала, с круглым поперечным сечением. Уплотнение устанавливается путем помещения уплотнительного кольца в полость, известную как сальник. Сальник сжимает уплотнительное кольцо и создает состояние нулевого зазора, что эффективно блокирует поток жидкости. Эффект уплотнения достигается за счет осевого или радиального сжатия уплотнительного кольца. Для надежного уплотнения на границе между уплотнительным кольцом и поверхностью сопряженного сальника должна быть образована непрерывная «линия уплотнения». Создание этой «линии уплотнения» является результатом сочетания конструкции сальника, поперечного сечения уплотнительного кольца и надлежащего уровня сжатия эластомерного материала. Эластомерные уплотнительные кольца функционируют в отличие от большинства систем материалов, с которыми работают инженеры; он должен значительно деформироваться, чтобы обеспечить правильное функционирование.
Использование уплотнительных колец предоставляет разработчикам широкий выбор вариантов конструкции уплотнений. Уплотнительные кольца можно использовать как в статических ситуациях, когда между сопрягаемыми частями нет движения, так и в динамических приложениях, когда части машины движутся относительно друг друга.
Существует три основные конструкции уплотнений, в которых используются уплотнительные кольца: уплотнение штока, уплотнение поршня и торцевое уплотнение. Когда внутренний сальник вырезается внутри детали машины так, что уплотнительное кольцо представляет собой уплотнение внутреннего диаметра с использованием радиального сжатия, оно считается уплотнением штока. Когда охватываемый сальник вырезается внутри детали машины так, что уплотнительное кольцо представляет собой уплотнение по внешнему диаметру с использованием радиального сжатия, оно классифицируется как поршневое уплотнение. Когда в уплотнении используется осевое сжатие, его называют торцевым уплотнением. В рамках каждой из этих конструкций, принимая во внимание как статические, так и динамические применения, существует множество конструктивных альтернатив, позволяющих выбрать оптимальное уплотнение для данного применения.
На схемах показаны три основных типа конструкций уплотнений в зависимости от направления уплотняющей силы и ориентации сальника.
Выход из строя уплотнительного кольца обычно проявляется в виде утечки жидкости, предназначенной для герметизации. Чтобы на начальном этапе добиться адекватного уплотнения уплотнительного кольца, а также эффективно поддерживать это уплотнение в течение удовлетворительного срока службы, важно:
Следуйте правильным принципам проектирования сальников, которые обеспечивают правильное смещение при сжатии и соответствующий набор допусков.
Используйте уплотнительное кольцо подходящего размера в зависимости от применения и конструкции.
Выберите подходящий материал уплотнительного кольца с учетом предполагаемого механического, термического и химического воздействия.
Выполните предпроизводственное моделирование и фактическое тестирование для проверки производительности.
При установке уплотнительного кольца следуйте принятым методам сборки.
Режимы отказа
В целом уплотнительные кольца считаются особенно надежными из-за простоты конструкции уплотнительного кольца/сальника и общей устойчивости материала. Однако при ряде обстоятельств может произойти сбой. Поломка уплотнительного кольца может варьироваться от незначительной утечки до катастрофической поломки оборудования. Независимо от масштаба, повреждение уплотнительного кольца можно диагностировать с помощью соответствующих визуальных и аналитических методов. Распространенные виды неисправности уплотнительного кольца включают в себя:
Изображение взрывной декомпрессии внутри резинового уплотнительного кольца.
Чрезмерный набор сжатия
Взрывная декомпрессия
Повреждения при установке
Истирание
Спиральное скручивание
Термическая деградация
Химические эффекты
Чрезмерное сжатие
Преждевременный выход уплотнительного кольца из строя обычно является результатом сочетания факторов, а не какой-либо одной причины. Как и в случае любого сбоя, существуют факторы, влияющие на производительность. В отношении уплотнительных колец существует ряд потенциальных проблем, связанных с каждым из этих факторов:
Конструкция: Неправильная конструкция сальника и уплотнительное кольцо неправильного размера.
Материал: Неправильный выбор материала уплотнительного кольца с учетом предполагаемых условий эксплуатации.
Производство: недоотверждение резины уплотнительного кольца, преждевременное отверждение, чрезмерная линия разъема, пустоты или включения в материале.
Сборка: Вставка приводит к перекручиванию или разрыву уплотнительного кольца.
Условия эксплуатации: Чрезмерное тепловое воздействие, чрезмерная нагрузка или давление, непредвиденное воздействие агрессивных химических веществ.
Существует ряд ключевых характеристик, которые существенно влияют на эффективность применения уплотнительного кольца. На этих элементах основано качество кратковременных уплотнительных свойств, а также долговременная долговечность и предотвращение отказов системы уплотнительных колец.
Потягиваться
Для обеспечения эффективного уплотнения внутренний диаметр уплотнительного кольца должен быть меньше диаметра сопрягаемого компонента, чтобы уплотнительное кольцо слегка растягивалось и плотно прилегало. Растяжение должно составлять от 1% до 5%, при этом в большинстве случаев идеальное значение составляет от 2% до 3%. Когда уплотнительное кольцо растягивается, его поперечное сечение уменьшается и сплющивается. Растяжение в собранном виде более 5 % не рекомендуется, поскольку внутреннее напряжение на уплотнительном кольце вызывает более быстрое старение и сокращает срок службы большинства материалов уплотнительных колец. С другой стороны, недостаточное растяжение приведет к неплотному прилеганию и увеличению вероятности протечек.
Сжимать
Сжатие уплотнительного кольца определяется как уменьшение толщины поперечного сечения при сжатии в результате отклонения, вызванного конфигурацией сальника. Тенденция уплотнительного кольца пытаться вернуться к своей первоначальной несжатой форме при отклонении поперечного сечения является основной причиной того, почему уплотнительные кольца обеспечивают такое превосходное уплотнение. По этой причине сжатие является основным фактором при проектировании уплотнительного кольца. Сжатие определяется геометрией сальника и сечением уплотнительного кольца. Это представляет собой диаметральное сжатие поперечного сечения уплотнительного кольца между поверхностью дна канавки и поверхностью другой сопрягаемой части узла сальника.
При использовании в качестве статического уплотнения максимальное рекомендованное сжатие для большинства эластомеров составляет 30%. Существует опасность сжатия более чем на 30%, поскольку возникающее дополнительное напряжение может способствовать преждевременному разрушению уплотнения. Минимальное сдавливание всех уплотнений независимо от сечения должно составлять около 0,2 мм. Недостаточное сжатие может привести к утечке уплотнительного кольца, поэтому большинство приложений не могут работать приемлемо при условиях сжатия «нет» или «нуль».
Заполнение сальника
Заполнение сальника — это процент объема сальника, который смещает поперечное сечение уплотнительного кольца, когда оно находится внутри сальника в установленном состоянии. Поперечное сечение уплотнительного кольца и размер сальника вместе определяют наполнение сальника. В большинстве случаев применения уплотнительных колец требуется заполнение сальника от 60% до 85% доступного объема, при этом оптимальное заполнение обычно составляет 75%, что соответствует 25% пустого пространства. Очень важно оставлять не менее 10% пустот в любом эластомерном уплотнительном сальнике. Это гарантирует, что уплотнительное кольцо не будет подвергаться чрезмерному напряжению и будет соответствовать форме, необходимой для создания уплотнения.
Поверхностная обработка
Обычно рекомендуется, чтобы значение шероховатости поверхности не превышало 32 микродюймов (32 среднеквадратичного значения) на уплотнительных поверхностях для статических уплотнений. Это будет означать поверхность внутренней части железы. Также важен тип шероховатостей и наличие сплошных неровностей. Царапины и выступы на уплотнительном кольце могут стать причиной утечки, поскольку уплотнительное кольцо не может должным образом проникать и герметизировать эти неровности поверхности.
Сборка
Сборку следует выполнять с большой осторожностью, чтобы уплотнительное кольцо правильно разместилось в канавке и не было повреждено при закрытии узла сальника. Одним из важных аспектов этого является расширение внутреннего диаметра, необходимое для достижения канавки во время сборки. Это расширение не должно превышать 50 % предельного удлинения выбранной резиновой смеси уплотнительного кольца.
Также важно, чтобы уплотнительное кольцо не перекручивалось при сборке. Это может привести к чрезмерной нагрузке на эластомер уплотнительного кольца. Кроме того, уплотнительные кольца никогда не следует надавливать на незащищенные острые углы, резьбу, прорези, шлицы, порты или другие острые края. Закрытие узла сальника не должно приводить к защемлению уплотнительного кольца в углах канавок. Закрытие железы должно осуществляться прямым продольным движением. Вращательное или колебательное движение нежелательно, поскольку оно может привести к слипанию, смещению, защемлению или разрезанию уплотнения.
Материал уплотнительного кольца
При выборе материала уплотнительного кольца важно учитывать несколько факторов, в первую очередь приложенное давление, диапазон температур, в котором будет работать уплотнение, и герметизируемую химическую жидкость. Как правило, баланс между многочисленными требованиями, предъявляемыми к уплотнительному кольцу, может быть трудным и в лучшем случае приводит к компромиссу. Большинство материалов, используемых для изготовления уплотнительных колец, являются эластомерными, причем наиболее распространенными являются термореактивные резиновые смеси и термопластичные эластомеры на основе блок-сополимеров. Одним из преимуществ использования уплотнительных колец является то, что они могут быть изготовлены из широкого спектра эластомерных материалов, что обеспечивает функциональную и долговечную систему уплотнения. Часто проектировщики систем упускают из виду количество и разнообразие критериев выбора материалов, что может привести к преждевременному выходу из строя. При выборе подходящего материала уплотнительного кольца необходимо обратить внимание на следующие соображения и характеристики материала:
Химическая совместимость
Термическое сопротивление и деградация
Устойчивость к низким температурам
Устойчивость к истиранию и износу
Комплект сжатия и растяжения
Релаксация стресса
Сопротивление разрыву
Коэффициент теплового расширения
Сжимаемость и модуль сжатия
Слишком часто выбор материала уплотнительного кольца осуществляется только на основе твердости по твердости, которая может быть плохим предиктором краткосрочных и долгосрочных механических свойств эластомерного материала.
Еще одна область потенциального беспокойства — использование уплотнительных колец вместе с пластиковыми компонентами. Эластомерные материалы, особенно каучуки, часто содержат значительное количество пластификаторов и масел. Такие масла, особенно масла на основе сложных эфиров, включая фталаты, адипаты, тримеллитаты, могут действовать как агрессивные агенты растрескивания под воздействием окружающей среды (ESC).
Качество уплотнительного кольца
Качество уплотнительного кольца будет иметь относительно большое влияние на общую производительность системы уплотнения. Это включает в себя правильное смешивание резиновой смеси и равномерное формование уплотнительного кольца. На свойства резины, такие как остаточная деформация при сжатии, модуль упругости, твердость и прочность на разрыв, напрямую влияют операции смешивания и формования. Важно добиться хорошей согласованности. Дополнительно приведены рекомендации по допустимому уровню засветки на линии пробора. Обычно это 0.005 дюймов в ширину и 0,003 дюйма в высоту. Кроме того, уплотнительное кольцо должно иметь максимальный эксцентриситет 0,05 мм.
Заключение
Уплотнительные кольца можно считать старой технологией в отношении проектирования и производства компонентов и агрегатов. Их конструкция и функции относительно просты, и с начала 19 века они использовались в качестве пломб. Однако именно их простота обеспечивает эффективное использование их в герметизирующих приложениях. Несмотря на существенные изменения, произошедшие в проектировании, проектировании и производстве за последние 120 лет, уплотнительные кольца практически не изменились по форме и функциям. Уплотнительные кольца были и остаются простым, но эффективным и универсальным уплотнительным решением.