Afdichtingsprincipe van O-ring
Een O-ring, ook wel bekend als een O-ring, is een rubberen ring met een cirkelvormige doorsnede. Het is de meest gebruikte afdichting in hydraulische en pneumatische systemen. O-ringen bieden uitstekende afdichtingseigenschappen en kunnen worden gebruikt voor zowel statische als heen-en-weergaande afdichtingen. Ze kunnen onafhankelijk worden gebruikt en zijn een fundamenteel onderdeel van veel modulaire afdichtingssystemen. Ze hebben een breed scala aan toepassingen. Als het materiaal correct wordt geselecteerd, kunnen ze voldoen aan de eisen van verschillende bedrijfsomstandigheden. Bedrijfsdrukken variëren van een vacuüm van 1,333 × 10⁵Pa tot een hoge druk van 400 MPa, en temperaturen variëren van -60°C tot 200°C.
Vergeleken met andere afdichtingstypes hebben O-ringen de volgende voordelen:
1) Klein formaat en eenvoudige montage en demontage.
2) Kan worden gebruikt voor zowel statische als dynamische afdichting, met vrijwel geen lekkage bij gebruik als statische afdichting.
3) Een enkele O-ring biedt bidirectionele afdichting.
4) Lage dynamische wrijving.
De O-ring is een type extrusieafdichting. Het basiswerkingsprincipe berust op elastische vervorming van het afdichtingselement, waardoor contactdruk op het afdichtingsoppervlak ontstaat. Als de contactdruk de interne druk van het afgedichte medium overschrijdt, treedt er lekkage op; anders treedt er lekkage op. De oorzaken en berekeningsmethoden van contactdruk op het afdichtingsoppervlak verschillen voor statische en dynamische afdichtingen en vereisen afzonderlijke uitleg.
1. Afdichtingsprincipe voor statische afdichtingen
O-ringen worden het meest gebruikt in statische afdichtingen. Indien correct ontworpen en gebruikt, kunnen O-ringen een lekvrije, absolute afdichting bereiken.
Nadat een O-ring in een afdichtingsgroef is geïnstalleerd, ondergaat de doorsnede contactcompressiespanning, waardoor elastische vervorming ontstaat. Dit genereert een bepaalde initiële contactdruk Po op het contactoppervlak. Zelfs zonder of bij zeer lage druk behoudt de O-ring een afdichting dankzij zijn eigen elastische kracht. Wanneer het medium onder druk in de kamer komt, verschuift de O-ring naar de kant met lagere druk onder invloed van de mediumdruk, waardoor de elastische vervorming verder toeneemt om de opening δ te vullen en te sluiten. Op dit punt stijgt de contactdruk op de contactoppervlakken van het afdichtingspaar tot Pm:
Pm=Po+Pp
Waarbij Pp de contactdruk is die via de O-ring op het contactoppervlak wordt overgedragen (0,1 MPa).
Pp=K·P
K is de drukoverdrachtscoëfficiënt, met K=1 voor rubberen O-ringen;
P is de druk van de afgedichte vloeistof (0,1 MPa).
Dit verbetert het afdichtingseffect aanzienlijk. Aangezien K over het algemeen ≥ 1 is, is Pm>P. Daarom kan de O-ring, zolang er initiële druk op de O-ring staat, een lekvrije, absolute afdichting bereiken. Deze eigenschap van de O-ring, die afhankelijk is van de druk van het medium zelf om de contacttoestand van de O-ring te veranderen en een afdichting te bereiken, wordt zelfafdichting genoemd.
Theoretisch gezien kan het zelfs bij nul compressievervorming nog steeds afdichten onder oliedruk. In de praktijk kunnen O-ringen echter excentrisch zijn tijdens de installatie. Daarom ondergaat de doorsnede van de O-ring, nadat deze in de afdichtingsgroef is geïnstalleerd, over het algemeen een compressievervorming van 7%-30%. Een hogere compressieverhouding wordt gebruikt voor statische afdichtingen, terwijl een lagere compressieverhouding wordt gebruikt voor dynamische afdichtingen. Dit komt omdat synthetisch rubber comprimeert bij lage temperaturen, dus de voordruk van statische O-ringen moet rekening houden met de krimp bij lage temperaturen.
2. Afdichtingsprincipes voor heen-en-weergaande bewegingsafdichtingen
Heen-en-weergaande bewegingsafdichtingen zijn een veelvoorkomende afdichtingsvereiste in hydraulische en pneumatische componenten en systemen. Heen-en-weergaande bewegingsafdichtingen worden gebruikt in zuigers en cilinderlichamen van krachtcilinders, tussenvoeging van zuiger en cilinderkop, en verschillende soorten schuifkleppen. Er wordt een opening gevormd tussen een cilindrische stang en een cilindrische boring, waarin de stang axiaal beweegt. De afdichting beperkt axiale lekkage van de vloeistof. Bij gebruik als heen-en-weergaande bewegingsafdichting zijn de voorafdichtende en zelfafdichtende eigenschappen van de O-ring vergelijkbaar met die van statische afdichtingen. Bovendien kan de O-ring door zijn inherente elasticiteit automatisch slijtage compenseren. Bij het afdichten van vloeibare media is de situatie echter complexer dan bij statische afdichtingen vanwege de invloed van stangsnelheid, vloeistofdruk en viscositeit.
Wanneer vloeistoffen onder druk staan, interageren de vloeistofmoleculen met het metalen oppervlak. De polaire moleculen in de olie richten zich strak en gelijkmatig op het metalen oppervlak en vormen een sterke grenslagen tussen het glijoppervlak en de afdichting, die sterke hechting uitoefent op het glijoppervlak. Deze vloeistoffilm bestaat altijd tussen de afdichting en het heen-en-weergaande oppervlak en zorgt voor een zekere mate van afdichting en is cruciaal voor het smeren van het bewegende afdichtingsoppervlak. Het is echter nadelig voor lekkage. Wanneer de heen-en-weergaande as naar buiten wordt getrokken, wordt de vloeistoffilm op de as meegetrokken. Door de "veeg"-werking van de afdichting wordt deze vloeistoffilm bij het intrekken van de heen-en-weergaande as buiten vastgehouden door het afdichtingselement. Naarmate het aantal heen-en-weergaande slagen toeneemt, wordt er meer vloeistof buiten vastgehouden, waardoor uiteindelijk oliedruppels ontstaan, die lekkage in heen-en-weergaande afdichtingen vertegenwoordigen. Omdat de viscositeit van hydraulische olie afneemt met toenemende temperatuur, neemt de oliefilmdikte dienovereenkomstig af. Daarom is de lekkage groter aan het begin van de beweging wanneer hydraulische apparatuur wordt gestart bij lage temperaturen. Naarmate de temperatuur stijgt als gevolg van verschillende verliezen tijdens de beweging, neemt de lekkage geleidelijk af.
O-ringen, als heen-en-weergaande afdichtingen, zijn compact en klein van formaat en worden voornamelijk gebruikt in:
1) Hydraulische componenten met lage druk, over het algemeen beperkt tot korte slagen en gemiddelde drukken rond de 10 MPa.
2) Hydraulische schuifkleppen met kleine diameter, korte slag en gemiddelde druk.
3) Pneumatische schuifkleppen en cilinders.
4) Als elastomeren in gecombineerde heen-en-weergaande afdichtingen.
O-ringen zijn het meest geschikt als heen-en-weergaande afdichtingen voor kleine diameters, korte slagen en lage tot gemiddelde drukken, zoals in heen-en-weergaande componenten zoals pneumatische cilinders en schuifkleppen. In hydraulische componenten is het gebruik van O-ringen als primaire dynamische afdichtingen over het algemeen beperkt tot korte slagen en gemiddelde tot lage drukken rond de 10 MPa. O-ringen zijn niet geschikt voor heen-en-weergaande afdichtingen met zeer lage snelheid of als de enige afdichting voor heen-en-weergaande toepassingen met hoge druk. Dit komt voornamelijk door de hoge wrijving in deze omstandigheden, die kan leiden tot voortijdige afdichtingsfalen. In elke toepassing moet de afdichting worden gebruikt volgens de nominale gegevens of capaciteit en correct worden gemonteerd om een bevredigende prestatie te bereiken.
3. Roterende afdichtingen
Oliekeerringen en mechanische afdichtingen worden vaak gebruikt voor roterende afdichtingen. Oliekeerringen werken echter bij lagere drukken en zijn groter, complexer en minder produceerbaar dan O-ringen. Hoewel mechanische afdichtingen kunnen werken bij hoge drukken (40 MPa), hoge snelheden (50 m/s) en hoge temperaturen (400°C), maken hun complexere en omvangrijkere structuur en hoge kosten ze alleen geschikt voor zware machines in de petroleum- en chemische industrie.
Het belangrijkste probleem met O-ringen voor roterende toepassingen is Joule-verwarming. Deze wrijvingswarmte die wordt gegenereerd op het contactpunt tussen de snel roterende as en de O-ring, zorgt ervoor dat de temperatuur van deze contactpunten continu stijgt, waardoor het rubbermateriaal ernstig vervormt en veranderingen in compressie en rek veroorzaakt. Deze warmte versnelt ook de veroudering van het afdichtingsmateriaal, waardoor de levensduur van de O-ring wordt verkort. Het vernietigt ook de afdichtende oliefilm, waardoor olieverlies ontstaat en de slijtage van de afdichting wordt versneld.
Op basis van de bovenstaande situatie is er de afgelopen jaren zowel nationaal als internationaal uitgebreid en diepgaand onderzoek gedaan naar O-ringen voor roterende bewegingen. Om Joule-verwarming te voorkomen, is de sleutel het correct selecteren van O-ringstructuurparameters op basis van de eigenschappen van het rubber, voornamelijk de rek- en compressieverhouding van de O-ring. Experimentele studies hebben aangetoond dat O-ringen voor roterende bewegingen moeten worden ontworpen met een binnendiameter die gelijk is aan of iets groter is dan de diameter van de roterende as, meestal 3% tot 5% groter. Tijdens de installatie wordt de O-ring van de binnendiameter naar binnen gecomprimeerd en is de compressie van de doorsnede ontworpen om minimaal te zijn, meestal rond de 5%. Verder worden afdichtingsmaterialen met minimale thermische impact zoveel mogelijk gebruikt en wordt er rekening gehouden met de warmteafvoer op de installatieplaats van de O-ring. Dit verbetert de prestaties van O-ringen aanzienlijk, waardoor ze kunnen worden toegepast in het afdichten van roterende assen met snelheden tot 4 m/s.
Recentelijk zijn hittebestendig fluorrubber en slijtvast polyurethaanrubber opgedoken, en met een dieper begrip van het Joule-verwarmingseffect in rubbercomponenten zijn er oplossingen ontwikkeld om dit probleem aan te pakken, wat heeft geleid tot het ontwerp van nieuwe O-ringafdichtingsstructuren die beter geschikt zijn voor hoge snelheid, hoge druk roterende beweging.
O-ringen worden veel gebruikt in roterende bewegingsafdichtingsapparaten vanwege hun kleine formaat, eenvoudige structuur, lage kosten, goede procesprestaties en brede scala aan toepassingen.