Ontwerp en ontwikkeling van oliekeerringen

Het ontwerp van oliekeerringconstructies is primair gebaseerd op bedrijfsomstandigheden, montageomstandigheden en omgevingsomstandigheden. Factoren zoals afdichtingsprestaties, levensduur, materialen, fabricageproces en economische efficiëntie moeten in overweging worden genomen. Bij het ontwerpen van een oliekeerring is de eerste stap het selecteren van het juiste afdichtingsmateriaal. De gebruikte rubbersamenstelling moet een redelijke combinatie van eigenschappen bieden die voldoen aan de eisen van hittebestendigheid, oliebestendigheid, slijtvastheid en goede procesprestaties.

Gebruiksparameters en ontwerpparameters van oliekeerringen
 

Bij het constructieontwerp moeten de gebruikte parameters en de ontwerpparameters compatibel zijn. De relatie tussen de ontwerpparameters en de gebruikte parameters kan worden geïllustreerd in Tabel 1.

Bij het ontwerpen van de oliekeerringconstructie moeten de structurele parameters die in de onderstaande figuur worden weergegeven, in overweging worden genomen.

(1) Lipinterferentie (d-d1)

Als de interferentie groot is, zal de lip overmatig uitrekken, wat veroudering en slijtage veroorzaakt en de levensduur verkort. Als de interferentie klein is, zullen de afdichtingsprestaties slecht zijn. Omdat de interferentie gerelateerd is aan de radiale kracht van de hele lip, moet deze alomvattend worden beschouwd. De interferentiewaarden die in Tabel 2 worden weergegeven, zijn slechts ter referentie.

Tabel 2 Interferentie van verschillende asdiameters

(2) Veerpositie "R"-waarde

Deze waarde is een theoretische contactbreedte in het ontwerp. Een grotere "R"-waarde vergroot de contactbreedte en wrijving. Een kleinere "R"-waarde is niet bevorderlijk voor afdichting. De "R"-waarden voor veerposities in Tabel 3 zijn slechts ter referentie.

(3) Taallengte

De radiale kracht die wordt geleverd door de taallengte is ongeveer 50% van de radiale kracht van de oliekeerringlip. Het is belangrijk om een lage radiale kracht te handhaven. Een manier om dit te bereiken is door de lengte van de oliekeerringtaille te verlengen. De buitendiameter van de oliekeerring is echter over het algemeen gestandaardiseerd. Zelfs de niet-gestandaardiseerde montageruimte beperkt ook deze breedte. Daarom is de rechte lengte van de taille beperkt. Dit probleem kan worden opgelost door een gebogen sectie af te leiden van het rechte deel van de taille.

(4) Taille-sectiedikte

Experimenten hebben aangetoond dat zelfs bij lage druk vervorming zoals weergegeven in Figuur (A) gemakkelijk kan optreden. Het simpelweg verdikken van de taille is nadelig voor het vermogen van de lip om excentriciteit te volgen. Een dikkere taille verzwakt de veerwerking, wat resulteert in een minder effectieve excentriciteitsvolgende capaciteit dan een dunnere taille. Om het conflict tussen taillevervorming en volgbaarheid op te lossen, wordt aanbevolen om de taille opnieuw vorm te geven zoals weergegeven in Figuur (B). Dit vergroot de taille-stijfheid zonder de excentriciteitsvolgende capaciteit in gevaar te brengen.

(5) Kop Top Lengte

Sommige oliekeerringdwarsdoorsnede-diagrammen ontwerpen de kop-toplengte (t) gelijk aan de veergroefstraal (r). Tijdens gebruik valt de veer echter vaak af. Om te voorkomen dat de veer afvalt, moet het ontwerp ervoor zorgen dat t groter is dan r, waarbij ten minste aan de volgende relatie wordt voldaan: t = 4/3 r.

(6) Veergroefvorm

Veel oliekeerringen hebben een fout gemaakt in het ontwerp van de veergroef, waarbij de veergroefstraal (R) en de veercirkelstraal (r) verschillende waarden hebben. Experimentele verificatie heeft aangetoond dat sommige oliekeerringlippen twee contactzones hebben. Daarom, wanneer R=r, is de spanningsverdelingstoestand van de lip het beste, met slechts één contactzone. Vanwege de bewerking van de mal, krimp van het rubber, enz., is het echter vaak moeilijk om de twee absoluut gelijk te maken bij de productie. De enige manier om een klein verschil tussen de twee te behouden, is om een klein verschil tussen de twee te behouden.

(7) Metalen frame-ontwerp

De belangrijkste functie van het metalen frame is het versterken van de structurele stijfheid van de oliekeerring. De dikte en configuratiemethode zijn afhankelijk van de werkomstandigheden en montageomstandigheden van de oliekeerring.

(8) Veerspiraal

Er zijn twee soorten veren die in oliekeerringen worden gebruikt: kousenbandveren en bladveren. Kousenbandveren worden het meest gebruikt van de twee. Raadpleeg relevante normen en mechanische ontwerphandleidingen voor berekeningen van de veerdiameter, verlengde lengte en het aantal draadwindingen.

(9) Radiale kracht

Radiale kracht is een uiterst belangrijke parameter. Het effect ervan op de prestaties van oliekeerringen wordt als volgt samengevat:

1. Als de radiale kracht te klein is, zullen de afdichtingsprestaties slecht zijn; 2. Als de radiale kracht te groot is, zal er slijtage optreden en zal de levensduur worden verkort; 3. De radiale kracht beïnvloedt direct de wrijving en temperatuur van het contactgebied. Wanneer de radiale kracht te groot is, genereert wrijving veel warmte en versnelt de veroudering van de lip; 4. De slijtage van de as wordt ook beïnvloed door de radiale kracht; 5. Wanneer de as en de behuizing excentrisch zijn, moet er een geschikte radiale kracht worden uitgeoefend om ervoor te zorgen dat de lip een geschikte volgcapaciteit heeft; 6. De radiale kracht beperkt de werkdruk van het medium. Als de mediumdruk te hoog is, zal een verdere toename van de radiale kracht de levensduur van de oliekeerring verkorten.

Oliekeerringmateriaal

Momenteel worden oliekeerringen voornamelijk vervaardigd uit synthetisch rubber. Omdat de selectie en het structurele ontwerp ervan belangrijke factoren zijn die de afdichtingsprestaties en de levensduur van oliekeerringen beïnvloeden, is het cruciaal om de eigenschappen van rubber nauwkeurig te begrijpen en het juiste materiaal te selecteren. Het meest geschikte rubbermateriaal voor oliekeerringen moet worden bepaald op basis van de relevante parameters van de oliekeerring: de radiale kracht op de as moet hoog genoeg zijn om lekkage te voorkomen, maar toch laag genoeg om een bepaalde oliefilmdikte te behouden om de wrijvingswarmte laag te houden. De afdichting moet voldoende interferentiepassing hebben om de effecten van excentriciteit tijdens bedrijf te overwinnen. Het lipgebied in de contactzone is ook een bepalende factor.

Het oliekeerringmateriaal beïnvloedt direct deze drie parameters. Naarmate het materiaal verandert met tijd en temperatuur, veranderen de belangrijkste parameters ook dienovereenkomstig. Naarmate de temperatuur bijvoorbeeld stijgt, neemt de modulus van het materiaal af, wat veranderingen in de radiale kracht veroorzaakt. Thermische uitzetting, materiaalzwelling veroorzaakt door het afdichtingsmedium en de hardheid van de rubbersamenstelling beïnvloeden allemaal de radiale kracht en de interferentiepassing.

Om deze redenen moeten de volgende eigenschappen in overweging worden genomen bij het selecteren van oliekeerringmaterialen: compatibiliteit met het afdichtingsmedium, weerstand tegen zwelling of verharding door het medium; goede hitte- en slijtvastheid; en matige elasticiteit om variaties in asruwheid en excentriciteit op te vangen.

Vanwege de constante evolutie van rubbersamenstellingen, waarbij nieuwe materialen opkomen en bestaande materialen voortdurend worden verbeterd, volgt hier een korte beschrijving van de meest gebruikte materialen voor oliekeerringen: nitrilrubber (NBR), polyacrylaatrubber (PAR), siliconenrubber, fluorrubber (FKM) en polytetrafluorethyleen (PTFE).

Nitrilrubber

NBR kan in grotere hoeveelheden worden gebruikt dan alle andere elastomeren gecombineerd bij de productie van afdichtingen. NBR is een copolymeer van butadieen en propyleen, met een propyleengehalte variërend van 18% tot 40%. Het wordt gecategoriseerd als laag, gemiddeld en hoog propyleengehalte. Hoewel de oliebestendigheid van NBR toeneemt met het propyleengehalte, neemt de flexibiliteit bij lage temperaturen af. Om goede prestaties bij lage temperaturen te bereiken, wordt vaak een deel van de weerstand tegen brandstoffen en oliën bij hoge temperaturen opgeofferd. Nitrilrubber heeft uitstekende fysische eigenschappen, met een betere koude vloei-, scheur- en slijtvastheid dan de meeste andere rubbers. Het is echter niet bestand tegen ozon, weersinvloeden en zonlicht, hoewel deze eigenschappen kunnen worden verbeterd door middel van formulering. Nitrilrubber is geschikt voor gebruik met oliën op basis van aardolie, brandstoffen, water, siliconenoliën en siliconenesters, en mengsels van ethyleenglycol. Het is echter niet geschikt voor contact met EP-oliën, gehalogeneerde koolwaterstoffen, nitrocarbonen, fosfaatestervloeistoffen, ketonen, sterke zuren en bepaalde remvloeistoffen voor auto's.

Polyacrylaatrubber

Polyacrylaat (ACM) rubber is een emulsie-co-slurry van alkylacrylaten met andere onverzadigde monomeren. Veelgebruikte alkylacrylaten zijn ethyleenethylacrylaat en butylacrylaat. De prestaties van polyacrylaatrubber liggen tussen die van nitrilrubber en fluorrubber. Omdat de hoofdketen geen dubbele bindingen bevat, vertoont het een hoge weerstand tegen hitte, ozon en weersinvloeden. De aanwezigheid van chloor (Cl) of (CM) functionele groepen op de zijketens verbetert verder de oliebestendigheid, waardoor het kan worden gebruikt in hete oliën bij temperaturen tussen 170°C en 180°C. Een belangrijk kenmerk van dit rubber is de uitstekende weerstand tegen minerale olie, hyperbolische olie en boter bij 178°C. Het vertoont ook een uitstekende weerstand tegen veroudering en flexscheuren, waardoor het geschikt is voor oliekeerringen. De belangrijkste nadelen zijn een slechte verwerking, het plakken aan rollen tijdens het mengen, beperkte prestaties bij lage temperaturen, slechte weerstand tegen water en stoom, slechte weerstand tegen ethyleenglycol en sterk aromatische oliën, hoge compressieset en aanzienlijke corrosie van metalen mallen en assen. De elasticiteit, slijtvastheid en elektrische isolatie-eigenschappen zijn ook relatief slecht. Bovendien heeft het vanwege de hoge verzadigingsgraad een langzame vulkanisatiesnelheid. Hoewel de slijtvastheid aanzienlijk kan worden verbeterd met de juiste formulering, schiet het nog steeds tekort ten opzichte van nitrilrubber.

Siliconenrubber

Siliconenrubber behoudt zijn mechanische eigenschappen over een breed temperatuurbereik, blijft flexibel bij -65°C en is geschikt voor langdurig gebruik bij 230°C. Hoewel de mechanische eigenschappen kunnen worden verbeterd door speciale samenstellingen, zijn de sterkte, scheurweerstand en slijtvastheid over het algemeen relatief slecht. De weerstand tegen basen, zwakke zuren en ozon is over het algemeen goed, maar de oliebestendigheid is matig. Chemische eigenschappen kunnen worden verbeterd met samenstellingsmiddelen, zoals die voor het verbeteren van olie- en brandstofbestendigheid. Siliconenrubber is echter over het algemeen niet geschikt voor gebruik in koolwaterstoffen zoals benzine, paraffine en lichte minerale olie, omdat deze media het zullen doen zwellen en zachter worden. Het belangrijkste voordeel van siliconenrubber is het vermogen om de elasticiteit te behouden bij zeer lage temperaturen. Bovendien is het bestand tegen hoge temperaturen gedurende langere perioden zonder te verharden, waardoor het geschikt is voor een breder scala aan afdichtingen bij hoge en lage temperaturen dan andere rubbers. Voor roterende afdichtingen is de bedrijfstemperatuur hoger dan die van standaardrubber. Siliconenrubber is echter duurder dan de meeste andere rubbers.

Fluorosiliconenrubber is een duurder rubber. De prestaties zijn in wezen hetzelfde als siliconenrubber, maar het toepassingsgebied is smaller. Het belangrijkste voordeel is de oliebestendigheid, die vergelijkbaar is met of dicht bij die van nitrilrubber. Hierdoor kan het buiten de bedrijfstemperatuurgrenzen van nitrilrubber worden gebruikt en toch de oliebestendigheid bieden die siliconenrubber mist.

Fluorrubber

Fluorrubber is een verzadigd polymeer dat fluoratomen bevat op koolstofatomen in de hoofd- of zijketens. Het bezit unieke en uitstekende eigenschappen. Het wordt gekenmerkt door weerstand tegen hoge temperaturen, oliën, ernstige corrosie, oplosmiddelen, weersinvloeden, ozon, lage gasdoorlaatbaarheid en uitstekende fysische eigenschappen. Het kan continu werken bij temperaturen tussen 200°C en 250°C. De nadelen zijn echter slechte prestaties bij lage temperaturen en een hoge compressieset. Er is zowel nationaal als internationaal aanzienlijk onderzoek gedaan om de compressieset van fluorrubber te verbeteren.

Polytetrafluorethyleen

Kunststoffen zijn over het algemeen semi-rigide en worden over het algemeen niet gebruikt als afdichtingen. Polytetrafluorethyleen (PTFE) is een uitzondering. Het is een fluorkoolstofverbinding met unieke eigenschappen, met name de weerstand tegen chemische aantasting over een breed bedrijfstemperatuurbereik. Het vertoont een lage wrijvingscoëfficiënt tegen metalen, maar zonder vulstofversterking is de mechanische sterkte laag. PTFE is met name nuttig in afdichtingen die zijn gemaakt van composietstructuren. Bewerkt of gevormd PTFE kan bijvoorbeeld worden gebruikt als zowel een oppervlak met lage wrijving als een chemisch bestendige coating.

Eigenschappen van oliekeerringmaterialen

Bedrijfstemperatuur van oliekeerringmaterialen

Bedrijfstemperatuur is een cruciale factor die de levensduur van oliekeerringen beïnvloedt. De bedrijfstemperaturen van verschillende veelgebruikte oliekeerringmaterialen worden weergegeven in Tabel 4.

Tabel 4 Bedrijfstemperaturen van veelgebruikte oliekeerringmaterialen

Prestatieveranderingen bij lage temperaturen verschillen aanzienlijk van die bij hoge temperaturen. Naarmate de temperatuur daalt, verharden bijna alle elastomeren geleidelijk door een verlies aan flexibiliteit, waardoor het herstel van vervorming wordt vertraagd. Kristallisatie treedt ook op, zij het langzaam. Voordat het materiaal broos wordt, kan de veerkracht, als er geen alternatieve elastomeermaterialen zijn, de nodige veerkracht leveren. Bij hoge temperaturen verliezen alle elastomeren hun elasticiteit en hebben ze de neiging om zachter te worden. Hoge temperaturen versnellen ook de veroudering van het materiaal, wat zich meestal manifesteert als een verlies aan elasticiteit en een geleidelijke toename van de hardheid en modulus.

Slijtvastheid van oliekeerringmaterialen

De slijtvastheid van het materiaal is een cruciale factor voor oliekeerringen. De slijtvastheid van rubber is gerelateerd aan de hardheid en scheurweerstand. Over het algemeen verbetert de slijtvastheid met toenemende hardheid; een betere scheurweerstand leidt ook tot een betere slijtvastheid. Bovendien wordt de slijtvastheid van een materiaal ook beïnvloed door factoren zoals de wrijvingscoëfficiënt en de gladheid van het contactoppervlak.

Compatibiliteit met afdichtingsmedia

Naarmate het materiaal het vloeibare medium absorbeert, verandert het volume. Overmatige uitzetting kan de fysische en mechanische eigenschappen van het materiaal aantasten, waardoor het onaanvaardbaar wordt. Overmatige uitzetting kan ook chemische reacties veroorzaken, zoals oplossen, interacties tussen bepaalde componenten in het materiaal of oppervlakteverbrossing, wat tot scheuren leidt. In deze gevallen zijn het afdichtingsmedium en het materiaal niet compatibel. In sommige gevallen kan het afdichtingsmedium additieven zoals weekmakers en antioxidanten uit de rubbersamenstelling extraheren, waardoor de samenstelling van het elastomeer verandert en zelfs krimp veroorzaakt, wat tot lekkage leidt. Raadpleeg Tabel 5 voor informatie over de compatibiliteit van oliekeerringmaterialen met bepaalde media.

Tabel 5 Compatibiliteit van oliekeerringmaterialen

Uit het bovenstaande blijkt dat het structurele ontwerp van de oliekeerring erg belangrijk is. Zelfs als het oliekeerringmateriaal erg goed is, kan er geen effectieve afdichting worden bereikt als het structurele ontwerp onredelijk is.