O-ringi są najpowszechniejszą konstrukcją mechaniczną do uszczelniania ze względu na ich niską cenę, prostą produkcję, niezawodne działanie i proste wymagania instalacyjne. Chociaż O-ringi są tanie, w niektórych określonych środowiskach częsta wymiana zwiększy koszty konserwacji maszyny i wpłynie na normalne działanie sprzętu. Dlatego konieczne jest zrozumienie właściwości O-ringów.
W temperaturze od -50 do -60 stopnia materiały gumowe, które nie są odporne na niskie temperatury, całkowicie utracą swoje początkowe naprężenia; nawet w przypadku materiałów gumowych odpornych na niskie temperatury, początkowe naprężenie w tym czasie nie będzie większe niż 25 procent początkowego naprężenia w temperaturze 20 stopni. Dzieje się tak, ponieważ początkowe ściśnięcie pierścienia uszczelniającego o przekroju okrągłym zależy od współczynnika rozszerzalności liniowej.
Niewłaściwa konstrukcja i użycie O-ringu przyspieszy jego uszkodzenie i utratę właściwości uszczelniających.
Eksperymenty wykazały, że jeśli konstrukcja każdej części urządzenia z pierścieniem uszczelniającym jest rozsądna, zwykłe zwiększenie ciśnienia nie spowoduje uszkodzenia pierścienia uszczelniającego. W warunkach pracy wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury, główną przyczyną uszkodzeń O-ringów jest trwałe odkształcenie materiału O-ringów, ugryzienie szczeliny spowodowane wciśnięciem O-ringu w szczelinę uszczelniającą oraz zniekształcenie O-ring podczas ruchu.
Trwałe odkształcenie Ponieważ materiał z kauczuku syntetycznego użyty w pierścieniu uszczelniającym o przekroju okrągłym jest materiałem lepkosprężystym, początkowo ustawiona wartość kompresji i zdolność blokowania odbicia ulegną trwałej deformacji i stopniowej utracie po długotrwałym użytkowaniu, co ostatecznie doprowadzi do wycieku.
Trwałe odkształcenie i utrata sprężystości to główne przyczyny utraty przez O-ringi właściwości uszczelniających. Poniżej przedstawiono główne przyczyny trwałej deformacji.
Zależność między stopniem ściskania a wielkością rozciągania i trwałym odkształceniem
Różne składy gumy stosowane do produkcji pierścieni uszczelniających o przekroju okrągłym powodują relaksację naprężeń ściskających w stanie ściśniętym. W tym czasie naprężenie ściskające będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem czasu. Im dłuższy czas eksploatacji, tym większy stopień ściskania i rozciągania, tym większy spadek naprężeń spowodowany relaksacją naprężeń gumy, przez co O-ring jest niewystarczająco elastyczny i traci swoje właściwości uszczelniające. Dlatego wskazane jest, aby spróbować zmniejszyć stopień sprężania w dozwolonych warunkach użytkowania.
Zwiększenie rozmiaru przekroju poprzecznego O-ringu jest najłatwiejszym sposobem zmniejszenia stopnia sprężania, ale spowoduje to zwiększenie rozmiaru konstrukcyjnego. Należy zauważyć, że ludzie, obliczając stopień sprężania, często ignorują zmniejszenie wysokości przekroju spowodowane rozciągnięciem O-ringu podczas montażu. Zmiana pola przekroju poprzecznego oringa jest odwrotnie proporcjonalna do zmiany jego obwodu. Jednocześnie pod wpływem naprężenia zmieni się również kształt przekroju oringu, co objawia się zmniejszeniem jego wysokości. Dodatkowo na skutek napięcia powierzchniowego zewnętrzna powierzchnia oringu staje się bardziej płaska, czyli wysokość przekroju nieznacznie się zmniejsza. Jest to również przejaw relaksacji naprężeń ściskających O-ring.
Stopień odkształcenia przekroju o-ringu zależy również od twardości materiału, z którego wykonany jest o-ring. W przypadku tego samego stopnia rozciągnięcia, o-ring o dużej twardości będzie miał również większą redukcję wysokości przekroju poprzecznego. Z tego punktu widzenia materiały o niskiej twardości powinny być dobierane w jak największym stopniu do warunków użytkowania. Pod wpływem ciśnienia i naprężenia cieczy, gumowy O-ring będzie stopniowo ulegał odkształceniu plastycznemu, a jego wysokość w przekroju odpowiednio się zmniejszy, aż w końcu straci zdolność uszczelniania.
Zależność między temperaturą a procesem relaksacji O-ringów
Kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na trwałe odkształcenie O-ringu jest temperatura pracy. Wysokie temperatury przyspieszają starzenie się materiałów gumowych.
Im wyższa temperatura robocza, tym większy stopień odkształcenia kompresyjnego O-ringu. Kiedy trwałe odkształcenie jest większe niż 40 procent, O-ring traci swoje właściwości uszczelniające i przecieka. Początkowa wartość naprężenia powstałego w gumowym materiale pierścienia uszczelniającego w wyniku odkształcenia ściskającego będzie stopniowo zmniejszać się, a nawet zanikać wraz z procesem relaksacji i spadkiem temperatury pierścienia uszczelniającego. W przypadku oringów pracujących w temperaturach poniżej zera, ich początkowa kompresja może ulec zmniejszeniu lub całkowicie zaniknąć z powodu gwałtownego spadku temperatury. W temperaturach od -50 do -60 stopni materiały gumowe, które nie są odporne na niskie temperatury, całkowicie utracą swoje początkowe naprężenia; nawet w przypadku materiałów gumowych odpornych na niskie temperatury, początkowe naprężenie w tym czasie nie będzie większe niż 25 procent początkowego naprężenia w temperaturze 20 stopni. Dzieje się tak, ponieważ początkowe ściśnięcie pierścienia uszczelniającego o przekroju okrągłym zależy od współczynnika rozszerzalności liniowej. Dlatego przy doborze wstępnego ściskania należy zwrócić uwagę na to, aby po spadku naprężeń w wyniku procesu relaksacji i spadku temperatury pozostała wystarczająca zdolność uszczelniania. W przypadku oringów pracujących w ujemnych temperaturach należy zwrócić szczególną uwagę na wskaźnik powrotu do stanu pierwotnego oraz wskaźnik odkształcenia materiału gumowego.
Podsumowując, projekt powinien dążyć do tego, aby o-ring miał odpowiednią temperaturę pracy lub wybrać materiały o-ringów odporne na wysokie i niskie temperatury, aby wydłużyć żywotność.
Średnie ciśnienie robocze i trwałe odkształcenie Ciśnienie czynnika roboczego jest głównym czynnikiem powodującym trwałe odkształcenie O-ringa.
Ciśnienie robocze nowoczesnych urządzeń hydraulicznych rośnie z dnia na dzień. Długotrwałe wysokie ciśnienie spowoduje trwałe odkształcenie O-ringu. Dlatego podczas projektowania należy dobrać odpowiednie odporne na ciśnienie materiały gumowe zgodnie z ciśnieniem roboczym. Im wyższe ciśnienie robocze, tym wyższa powinna być twardość i odporność na wysokie ciśnienie zastosowanego materiału. Aby poprawić odporność na ciśnienie materiału O-ringu, zwiększyć elastyczność materiału (szczególnie zwiększyć elastyczność materiału w niskiej temperaturze) i zmniejszyć odkształcenie materiału na ściskanie, ogólnie konieczne jest ulepszenie formuły materiału i dodać plastyfikator. Jeżeli jednak o-ring z plastyfikatorem będzie przez dłuższy czas zanurzony w czynniku roboczym, plastyfikator będzie stopniowo wchłaniany przez czynnik roboczy, powodując zmniejszenie objętości o-ringu, a nawet może spowodować ujemne ściśnięcie O-ring (tj. Powstaje szczelina pomiędzy o-ringiem a powierzchnią uszczelnionej części).
Dlatego przy obliczaniu kompresji oringu i projektowaniu formy skurcze te powinny być w pełni uwzględnione. Zaprasowany O-ring powinien zachować wymaganą wielkość po namoczeniu w czynniku roboczym przez 5-10 dni i nocy.
Odporność na ściskanie materiałów O-ringów jest zależna od temperatury. Gdy stopień odkształcenia wynosi 40 procent lub więcej, nastąpi wyciek, więc limity odporności na ciepło kilku materiałów gumowych to: kauczuk nitrylowy 70 stopni C, kauczuk EPDM 100 stopni C, kauczuk fluorowy 140 stopni C. W związku z tym kraje wprowadziły przepisy dotyczące trwałe odkształcenie o-ringów.
W przypadku O-ringów z tego samego materiału, w tej samej temperaturze, O-ring o większej średnicy przekroju poprzecznego ma mniejsze odkształcenie trwałe po ściskaniu. W oleju sytuacja jest inna. Ponieważ o-ring nie ma w tym czasie kontaktu z tlenem, wyżej wymienione niepożądane reakcje są znacznie ograniczone. Ponadto zwykle powoduje to pewne rozszerzenie mieszanki gumowej, więc stopień utrwalenia kompresji spowodowany temperaturą zostanie zniwelowany. Dlatego odporność na ciepło w oleju jest znacznie poprawiona. Biorąc za przykład kauczuk nitrylowy, jego temperatura robocza może osiągnąć 120 stopni lub więcej.