Todo lo que necesita saber sobre las juntas tóricas: Características, funciones y selección de materiales | MachineMFG

Todo lo que necesita saber sobre las juntas tóricas: Características, funciones y selección de materiales

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Una junta tórica es un tipo de junta de estanquidad de caucho de sección circular. Recibe su nombre de su sección transversal en forma de O, y se conoce comúnmente como junta tórica.

La junta tórica se introdujo por primera vez a mediados del siglo XIX como elemento de estanquidad para los cilindros de las máquinas de vapor. En la actualidad, su uso está muy extendido debido a su asequibilidad, facilidad de fabricación, rendimiento fiable y sencillos requisitos de instalación. Como resultado, la junta tórica es el diseño más utilizado para el sellado mecánico.

La junta tórica puede soportar altas presiones, medidas en decenas de megapascales (kilop libras). Puede utilizarse tanto en aplicaciones estáticas como dinámicas en las que los componentes se mueven unos con respecto a otros, como en ejes de bombas giratorias y pistones de cilindros hidráulicos.

1. Visión general

1.1 Características de la junta tórica

Una junta tórica es un pequeño elemento de estanquidad en forma de anillo que suele tener una sección transversal circular. El material principal utilizado en su fabricación es el compuesto sintético de moldeo, por lo que es el tipo de junta más utilizado en ingeniería hidráulica. Se utiliza principalmente para juntas estáticas y deslizantes.

En comparación con otras juntas, la junta tórica presenta varias ventajas, entre ellas:

a. Estanqueidad eficaz y larga vida útil

b. La capacidad de sellar en ambas direcciones con un solo anillo

c. Buena compatibilidad con el aceite, la temperatura y la presión

d. Baja resistencia a la fricción dinámica

e. Tamaño pequeño, peso ligero y bajo coste

f. Una estructura de sellado sencilla y fácil de desmontar

g. La capacidad de utilizarse como junta estática o dinámica.

h. Tamaño y ranura normalizados, lo que facilita la selección y el aprovisionamiento.

Una de las desventajas de la junta tórica es que, cuando se utiliza como junta dinámica, tiene una gran resistencia a la fricción, que es unas 3 o 4 veces mayor que su fricción dinámica. Además, es propensa a ser comprimida en la barrera bajo alta presión.

1.2 Representación

1GB/T3452.1-1982 método de expresión

Diámetro interior d1 × Diámetro del alambre d2

Por ejemplo:

  • Junta tórica 20 × 2,4 GB3452.1-82

El "20" indica que el diámetro interior de la junta tórica es de 20 mm.

El "2,4" se refiere al diámetro de la sección transversal de la junta tórica, que es de 2,4 mm.

"GB3452.1" es el número estándar.

"82" representa el año de publicación de la norma.

  • 24002000 GB3452.1-82

El "2400" representa el diámetro de la sección transversal de la junta tórica, que es de 2,4 mm.

El "0200" indica que el diámetro interior de la junta tórica es de 20 mm.

Como en el primer ejemplo, "GB3452.1" es el número de la norma y "82" representa el año de publicación de la norma.

2. Representación de GB/T3452.1-2005

Por ejemplo:

(1) Junta tórica 7,5 × 1,8G GB/T3452.1

El "7,5" indica el diámetro interior de la junta tórica.

El "1,8" se refiere al diámetro de la sección transversal de la junta tórica.

La serie "G" hace referencia a la "junta tórica universal". Existen otras series, como la "A", que significa "Junta tórica para aeroespacial".

(2) A 0 × 0 × 7 × 5XG GB/T3452.1

La serie "A" se refiere al diámetro del alambre de la junta tórica de 1,80 mm. Hay otras series con diferentes diámetros de alambre, tales como:

  • "B" para diámetro de alambre de junta tórica de 2,65 mm
  • "C" para diámetro de hilo de junta tórica de 3,55 mm
  • "D" para diámetro de alambre de junta tórica de 5,30 mm
  • "E" para diámetro de alambre de junta tórica de 7,30 mm

2. Estado de funcionamiento de la junta tórica

2.1 Función de la junta tórica para la estanqueidad estática

La junta tórica es un tipo de junta de extrusión. El principio básico de una junta de extrusión es que se basa en la deformación elástica de la junta para crear presión de contacto en la superficie de sellado. Si esta presión de contacto es mayor que la presión interna del medio sellado, no habrá fugas; de lo contrario, se producirán fugas. El proceso en el que el propio medio cambia el estado de contacto de la junta tórica para lograr la estanquidad se denomina "autosellado".

Precinto Q-ring

Efecto autosellante:

Debido al efecto de sellado previo, la junta tórica está en estrecho contacto tanto con la superficie lisa sellada como con el fondo de la ranura. Como resultado, cuando el fluido entra en la ranura a través de un hueco, sólo actúa en un lado de la junta tórica. Cuando la presión del fluido es alta, empuja la junta tórica hacia el otro lado de la ranura y la aprieta en forma de D, transfiriendo la presión a la superficie de contacto.

Sin embargo, la capacidad de autosellado de las juntas tóricas es limitada. Cuando la presión interna es demasiado alta, la junta tórica puede sufrir "extrusión de caucho". Esto ocurre cuando hay un hueco en el punto de sellado y la alta presión provoca una concentración de tensiones en el hueco. Cuando la tensión alcanza un determinado nivel, la goma se estruja. Aunque la junta tórica puede mantener temporalmente la estanqueidad, en realidad se ha dañado. Por lo tanto, es importante seleccionar cuidadosamente la junta tórica adecuada para la aplicación.

2.2 Función de la junta tórica para la estanqueidad dinámica

En juntas dinámicasEn las juntas dinámicas, los efectos de precinto y autosellado de la junta tórica son similares a los de las juntas estáticas. Sin embargo, la situación es más complicada en las juntas dinámicas debido a la posibilidad de que se introduzca líquido entre la junta tórica y el vástago durante el movimiento.

Cuando el vástago está en funcionamiento, si sobre el lado izquierdo de la junta tórica actúa la presión media P1 (como se muestra en la figura a), la presión de contacto generada por la junta tórica sobre el vástago es superior a P1 debido al efecto de autosellado, lo que garantiza la estanqueidad.

Sin embargo, cuando la varilla comienza a moverse hacia la derecha, el medio unido a la varilla es llevado al hueco entre la junta tórica y la varilla (figura b). Debido al efecto hidrodinámico, la presión de esta parte del medio es mayor que P1 y puede superar la fuerza de contacto de la junta tórica sobre la varilla, haciendo que el medio se introduzca en la primera ranura de la junta tórica (figura c). A medida que la varilla siga moviéndose hacia la derecha, el medio seguirá entrando en la siguiente ranura, lo que provocará fugas en la dirección del movimiento de la varilla.

Es menos probable que se produzcan fugas cuando el vástago se mueve hacia la izquierda, ya que la dirección de accionamiento es opuesta a la dirección de presión del vástago. La probabilidad de fugas aumenta con la viscosidad del medio y la velocidad de movimiento del vástago, además de estar estrechamente relacionada con el tamaño y la presión de trabajo de la junta tórica.

2.3 SForma de la junta tórica

  1. Las juntas tóricas pueden clasificarse en función del movimiento relativo entre la junta y el dispositivo sellado:
  • Juntas estáticas
  • Sellos alternativos
  • Juntas rotativas
  • Juntas de interruptores
  1. La compresión (estanqueidad) del ajuste de la junta tórica de compresión en la ranura rectangular puede dividirse en cinco ajustes básicos de estanqueidad:
  • Ajuste de compresión
  • Ajuste del manguito
  • Ajuste hidráulico
  • Ajuste neumático
  • Ajuste giratorio

Además, hay una junta de compresión que encaja en la ranura del chaflán de la cara del extremo, así como dos métodos especiales de sellado:

  • Junta deslizante
  • Junta flotante
  1. La estructura de las piezas selladas permite clasificar las juntas tóricas en los siguientes tipos:
  • Juntas de extremo, que incluyen juntas axiales y juntas angulares (como juntas de ranura de chaflán en la superficie final de un orificio o eje).
  • Obturaciones cilíndricas, que incluyen obturaciones radiales (como obturaciones cilíndricas de diámetro interior para vástagos de pistón y obturaciones cilíndricas de diámetro exterior para pistones).
  • Juntas cónicas
  • Juntas esféricas.

3. Diseño y aplicación de juntas tóricas

3.1 SParámetros de servicio de la junta tórica

3.1.1 Copresión

La relación de compresión (W) de una junta tórica se expresa como:

W = (d2 - h) / d2 × 100%

Dónde:

d2 - Diámetro de la sección transversal de la junta tórica en estado libre (mm)

h - La distancia entre el fondo de la ranura de la junta tórica y la superficie sellada (profundidad de la ranura), que es la altura de la sección transversal de la junta tórica después de la compresión (mm).

A la hora de elegir la relación de compresión de una junta tórica, es importante tener en cuenta los siguientes factores:

  • Área de contacto de sellado adecuada
  • Fricción mínima
  • Evitar la deformación permanente

La selección de la relación de compresión (W) también debe tener en cuenta las condiciones de servicio y si se trata de una junta estática o dinámica.

Los retenes estáticos pueden dividirse a su vez en retenes radiales y retenes axiales. Los retenes radiales tienen holguras radiales y los retenes axiales tienen holguras axiales.

Las juntas axiales pueden dividirse a su vez en juntas de presión interna y juntas de presión externa, dependiendo de si el medio de presión actúa sobre el diámetro interior o exterior de la junta tórica. La presión interna aumenta la tensión, mientras que la presión externa disminuye la tensión inicial de la junta tórica.

Para estas diferentes formas de juntas estáticas, la dirección del medio de sellado en la junta tórica es diferente, por lo que el diseño de la presión previa también es diferente.

En el caso de las juntas dinámicas, es importante distinguir entre juntas alternativas y juntas rotativas.

  • Junta estática: El dispositivo de cierre estático cilíndrico es similar al dispositivo de cierre alternativo y suele tener una relación de compresión de -10% a 15%. El dispositivo de junta estática plana tiene una relación de compresión de -15% a 30%.
  • En el caso de las juntas dinámicas, puede dividirse en tres casos: El movimiento alternativo suele tener una relación de compresión de 10% a -15%.

Al seleccionar la relación de compresión para las juntas de movimiento rotativo, es necesario tener en cuenta el efecto de calor Joule. Por lo general, el diámetro interior de la junta tórica utilizada para el movimiento giratorio es de 3% a 5% mayor que el diámetro del eje, y la relación de compresión del diámetro exterior es de -3% a 8%.

Para las juntas tóricas utilizadas en aplicaciones de baja fricción, se suele seleccionar una pequeña relación de compresión de 5% a 8% para reducir la resistencia a la fricción. También es importante tener en cuenta la dilatación de los materiales de caucho debida al medio y a la temperatura.

Normalmente, el índice de dilatación máximo admisible es de 15%, además de la deformación por compresión dada. Si se supera este rango, indica que la selección de materiales es inadecuado y, o bien debe utilizarse un material diferente para la junta tórica, o bien debe corregirse la tasa de deformación por compresión dada.

3.1.2 Scantidad de estiramiento

Una vez instalada la junta tórica en la ranura de estanquidad, suele tener un cierto nivel de tensión. Esta tensión, al igual que la relación de compresión, afecta en gran medida al rendimiento de estanquidad y a la vida útil de la junta tórica. Una tensión excesiva dificulta la instalación de la junta tórica y reduce la relación de compresión, lo que provoca fugas.

El importe del estiramiento puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

a = (d + d2) / (d1 + d2)

Dónde:

d - diámetro del eje (mm) d1 - diámetro interior de la junta tórica (mm)

El rango recomendado para la cantidad de estiramiento es de 1% a 5%. La tabla 1 indica la cantidad de estiramiento recomendada para las juntas tóricas, y la cantidad de estiramiento puede seleccionarse y limitarse en función del tamaño del diámetro del eje.

Tabla I límites de la relación de compresión y la cantidad de estiramiento de la junta tórica

Formulario de selladoMedio de selladoCantidad de estiramiento a (%)Relación de compresión w (%)
Junta estáticaAceite hidráulico1.03~1.0415~25
Aire<1.0115~25
Movimiento alternativoAceite hidráulico1.0212~17
Aire<1.010.95~112~173~8
Movimiento de rotaciónAceite hidráulico0.95~13~8

3.2 Iranura de instalación de la junta tórica

La compresión de una junta tórica viene determinada principalmente por el diseño y las dimensiones de la ranura de instalación.

Las ranuras rectangulares y triangulares son las formas más utilizadas; las triangulares sólo se emplean para juntas fijas específicas.

Las formas de las ranuras de las juntas estáticas, las juntas alternativas y las juntas dinámicas pueden ser similares, pero sus tamaños varían para adaptarse a los distintos requisitos de compresión.

3.2.1 Sancho del lote

La anchura de la ranura se considera desde las tres perspectivas siguientes:

  • Debe ser mayor que el diámetro máximo de la junta tórica tras la deformación por compresión.
  • Debe tenerse en cuenta el impacto del calentamiento inducido por el movimiento en la expansión e hinchazón de la junta tórica.
  • Debe dejarse espacio suficiente en la ranura para que la junta tórica pueda rodar libremente durante el movimiento alternativo.

En general, se recomienda que el área de la sección transversal de la junta tórica ocupe al menos 85% del área de la sección transversal rectangular. En muchos casos, la anchura de la ranura es 1,5 veces el diámetro de la sección transversal de la junta tórica.

Es importante tener en cuenta que una ranura estrecha aumentará la fricción y provocará un mayor desgaste de la junta tórica. Por otro lado, si la ranura es demasiado ancha, aumentará el rango de movimiento de la junta tórica y la hará más susceptible al desgaste. Además, en juntas estáticas con presión pulsante, la junta tórica puede experimentar un movimiento pulsante y un desgaste anormal.

En situaciones de alta presión, debe utilizarse un anillo de retención, y la anchura de la ranura debe aumentarse en consecuencia.

3.2.2 Gprofundidad del surco

La profundidad de la ranura es un factor crucial para el buen funcionamiento de la junta tórica. Depende principalmente de la deformación por compresión de la junta tórica.

Esta deformación se compone de la deformación por compresión (A1) en el diámetro interior de la junta tórica y de la deformación por compresión (A2) en el diámetro exterior de la junta tórica.

Cuando A1=A2, la sección transversal de la junta tórica coincide con el centro de la sección transversal de la ranura, y los dos círculos son iguales, lo que indica que la junta tórica no se estira durante la instalación.

Cuando A1>A2, la circunferencia del centro de la sección de la junta tórica es menor que la del centro de la ranura, lo que indica que la junta tórica está instalada en estado estirado.

Cuando A1<A2, el perímetro de la sección de la junta tórica es mayor que el perímetro central de la sección de la ranura. En este caso, la junta tórica se instala con compresión circunferencial, y rebotará durante el desmontaje.

Al diseñar la profundidad de la ranura, debe tenerse en cuenta en primer lugar el uso previsto de la junta tórica, seguido de la selección de un índice de deformación por compresión razonable. También deben tenerse en cuenta el hinchamiento del material en el medio, el hinchamiento del propio material y otros factores relacionados.

Sin embargo, existen normas pertinentes establecidas por el Estado para la estructura de las ranuras.

3.2.3 Selección y diseño de ranuras

1. Forma de instalación de la ranura

Explícate:

  • Para evitar que la junta tórica se dañe al ser comprimida en un hueco, generalmente se recomienda asegurar la junta cuando la presión de trabajo del líquido supere los 10MPa. Si la presión del líquido supera los 32MPa, debe añadirse un anillo de estanqueidad (como se muestra en la Fig. c). El número de anillos depende de la presión de la junta tórica.
  • Cuando se aplica presión externa sobre la junta axial, es importante añadir un resalte en el diámetro d8 para evitar que la junta tórica penetre en la tubería.

Tabla II Tamaño de la ranura radial de la junta tórica

Diámetro de la sección de la junta tórica d21.802.653.555.307.00
anchura de la zanjaJunta neumática2.23.44.66.99.3
Junta hidráulica dinámica o estáticab+0.252.43.64.87.19.59.5
b1+0.253.85.06.29.012.3
b2+0.255.26.47.610.915.1
Profundidad de ranura tJunta de vástago, (para cálculo d3)Junta dinámica hidráulica1.422.162.964.485.95
Junta neumática1.462.233.034.656.20
Junta estática1.382.072.744.195.67
Junta de vástago, (para cálculo d6)Junta dinámica hidráulica1.472.243.074.666.16
Junta neumática1.572.373.244.866.43
Junta estática1.422.152.854.365.89
Longitud mínima del chaflán Zmin1.11.51.82.73.6
Radio del filete inferior de la ranura r10.2-0.40.4-0.80.8-1.2
Radio del filete de la ranura r20.1-0.3
Diámetro máximo del fondo de la ranura de la junta del vástago d3máx=d4+2t, d4 diámetro del vástago
El diámetro mínimo del fondo de la ranura de la junta del vástago d6min=d5máx+2t, d5máx diámetro máximo del vástago.

China ha establecido normas para las series de tamaños de ranura de las juntas tóricas. Los detalles se pueden encontrar en la Tabla 3.

Tabla III tamaño de la ranura y compresión para el sellado

Tolerancia de la dimensión de la sección del anillo 01.9±0.082.4±0.083.1±0.103.5±0.105.7±0.158.6±0.16
Junta fija axialCantidad de compresión0.60~0.400.70~0.5040.85~0.550.90~0.651.3~0.91.6~1.0
Tamaño de la ranurah1.3~1.51.7~1.92.25~2.552.60~2.854.40~4.807.00~2.60
b2.503.204.24.707.5011.2
r≤0.400.70.80
Para los deportesCantidad de compresión0.47~0.280.47~0.270.54~0.300.60~0.3240.85~0.451.06~0.68
Tamaño de la ranurah1.43~1.621.93~2.132.65~2.802.90~3.184.85~5.257.54~7.92
bSin anillo de retención2.53.24.24.707.511.2
Añadir un anillo de retención3.94.45.26.09.013.2
Añadir dos anillos de retención5.406.07.07.811.517.2
r≤0.40.70.8
Nota:
h se refiere a la altura de la ranura; b representa la anchura de la zanja; r se refiere al chaflán de la ranura.

3. Requisitos de procesamiento de la ranura de la junta tórica

Para evitar fugas debidas a arañazos y a una instalación incorrecta, existen ciertos requisitos para la precisión de las ranuras y los componentes relacionados al instalar juntas tóricas.

En primer lugar, los bordes de paso durante la instalación deben ser romos o redondeados, y el orificio interior de paso debe biselarse en un ángulo de 10-20 grados.

En segundo lugar, debe tenerse muy en cuenta la precisión de la superficie a lo largo del recorrido de instalación de la junta tórica. El eje debe tener un valor de rugosidad bajo y estar lubricado en caso necesario.

Los requisitos para la ranura de instalación y la precisión de la superficie coincidente se pueden encontrar en la Tabla IV.

Tabla IV Acabado superficial de las piezas de contacto de la ranura de la junta de goma en forma de O

superficieAplicacionesCondición de presión.Acabado superficial
Fondo y laterales de la zanjaCierre herméticoNo alterna y no pulsa,R.3.2um
Alternancia o pulso,R.1.6um
Sello dinámico,No alterna y no pulsa.
Superficie de contactoCierre herméticoNo alterna y no pulsa.R.1.6um.
Alternancia o pulso,R.0.8um
Junta dinámicaR0,4 μ m

3.3 Mlección del material de la junta tórica

La selección del material de la junta tórica tiene en cuenta los siguientes factores:

  • El estado de funcionamiento de la junta tórica, por ejemplo, si se utiliza para estanquidad estática, estanquidad dinámica o estanquidad por deslizamiento.
  • El estado de funcionamiento de la máquina, incluyendo si funciona de forma continua o intermitente, y la duración de cada interrupción, así como su impacto en el componente de sellado.
  • El medio de trabajo, ya sea gas o líquido, y sus propiedades físicas y químicas.
  • La presión de trabajo, incluida la magnitud de la presión, la amplitud de la fluctuación, la frecuencia y la presión instantánea máxima.
  • La temperatura de trabajo, incluida la temperatura instantánea y la temperatura alterna de frío y calor.
  • El coste y la disponibilidad.

Normalmente, el caucho de nitrilo se utiliza para la resistencia al aceite, el caucho de cloropreno para la resistencia a la intemperie y al ozono, el caucho de acrilato o clorocaucho para la resistencia al calor, el caucho de poliuretano para la resistencia a la alta presión y al desgaste, y el caucho de copoliazol para la resistencia al frío y al aceite.

El ámbito de aplicación de los distintos adhesivos puede consultarse en la tabla 5.

Tabla V Especificaciones de uso de los materiales de estanquidad de las juntas tóricas

Ciencia de los materialesMedios aplicablesTemperatura de servicio / ℃Observaciones
Para los deportesUso estático
Caucho nitrílicoAceite mineral, gasolina, benceno80-30~120
NeoprenoAire, agua, oxígeno80-40~120Precauciones para el deporte
caucho butílicoAceite animal y vegetal, ácido débil, álcali80-30~110Gran deformación permanente, no apto para aceite mineral
caucho butadieno estirenoÁlcali, aceite animal y vegetal, aire, agua80-30~100No aplicable al aceite mineral
Caucho naturalAgua, ácido débil, base débil60-30~90No aplicable al aceite mineral
caucho de siliconaAceite a alta y baja temperatura, aceite mineral, aceite animal y vegetal, oxígeno, ácido débil, base débil-60~260-60~260No apto para vapor, evitar su uso en piezas móviles
Polietileno clorosulfonadoAceite a alta temperatura, oxígeno, ozono100-10~150Evitar su uso en partes móviles
Goma de poliuretanoAgua, aceite60-30~80Resistente al desgaste, pero evite el uso a alta velocidad
Caucho fluoradoAire de vapor de aceite caliente, ácido inorgánico150-20~200
teflónÁcidos, bases, disolventes varios-100~260No aplicable a piezas móviles

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