Все, что вам нужно знать об уплотнительных кольцах: Характеристики, функции и выбор материала | MachineMFG

Все, что нужно знать об уплотнительных кольцах: Характеристики, функции и выбор материала

5
(1)

О-кольцо - это тип резинового уплотнительного кольца с круглым сечением. Свое название оно получило благодаря О-образному сечению, поэтому его обычно называют уплотнительным кольцом.

Кольцо круглого сечения впервые появилось в середине XIX века в качестве уплотнительного элемента для цилиндров паровых машин. Сегодня оно широко используется благодаря своей доступности, простоте изготовления, надежным эксплуатационным характеристикам и простым требованиям к установке. В результате уплотнительное кольцо является наиболее распространенной конструкцией для механического уплотнения.

Уплотнительное кольцо может выдерживать высокое давление, измеряемое десятками мегапаскалей (килопаскалей). Оно может использоваться как в статических, так и в динамических системах, где компоненты перемещаются относительно друг друга, например, во вращающихся валах насосов и поршнях гидравлических цилиндров.

1. Обзор

1.1 Характеристика уплотнительного кольца

О-кольцо - это небольшой кольцеобразный уплотнительный элемент, обычно имеющий круглое сечение. Основным материалом для его изготовления является синтетическая формовочная смесь, что делает его наиболее широко используемым типом уплотнения в гидротехнике. В основном оно используется для статических и скользящих уплотнений.

По сравнению с другими уплотнениями уплотнительное кольцо имеет ряд преимуществ, в том числе:

a. Эффективное уплотнение и длительный срок службы

b. Возможность уплотнения в обоих направлениях с помощью одного кольца

c. Хорошая совместимость с маслом, температурой и давлением

d. Низкое сопротивление динамическому трению

e. Небольшой размер, малый вес и низкая стоимость

f. Простая и легко разбираемая уплотнительная конструкция

g. Возможность использования в качестве статического или динамического уплотнения

h. Стандартизированный размер и паз, что делает его удобным для выбора и поиска.

Одним из недостатков уплотнительного кольца является то, что при использовании в качестве динамического уплотнения оно обладает большим сопротивлением трению, которое примерно в 3-4 раза превышает его динамическое трение. Кроме того, оно склонно к продавливанию в барьер под высоким давлением.

1.2 Представительство

1GB/T3452.1-1982 метод выражения

Внутренний диаметр d1 × диаметр проволоки d2

Например:

  • Уплотнительное кольцо 20 × 2,4 GB3452.1-82

"20" означает, что внутренний диаметр уплотнительного кольца составляет 20 мм.

"2,4" означает диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца, который составляет 2,4 мм.

"GB3452.1" - это номер стандарта.

"82" означает год публикации стандарта.

  • 24002000 GB3452.1-82

Цифры "2400" означают диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца, который составляет 2,4 мм.

"0200" указывает на то, что внутренний диаметр уплотнительного кольца составляет 20 мм.

Как и в первом примере, "GB3452.1" - это номер стандарта, а "82" - год публикации стандарта.

2. Представление GB/T3452.1-2005

Например:

(1) О-образное кольцо 7,5 × 1,8G GB/T3452.1

Цифры "7,5" указывают на внутренний диаметр уплотнительного кольца.

Число "1,8" относится к диаметру поперечного сечения уплотнительного кольца.

Серия "G" означает "Универсальное уплотнительное кольцо". Существуют и другие серии, например, "A", которая обозначает "O-ring for Aerospace".

(2) A 0 × 0 × 7 × 5XG GB/T3452.1

Серия "A" относится к кольцевой проволоке диаметром 1,80 мм. Существуют и другие серии с различными диаметрами проволоки, например:

  • "B" для кольцевой проволоки диаметром 2,65 мм
  • "C" для кольцевой проволоки диаметром 3,55 мм
  • "D" для диаметра кольцевой проволоки 5,30 мм
  • "E" для кольцевой проволоки диаметром 7,30 мм

2. Рабочее состояние кольцевого уплотнения

2.1 Функция уплотнительного кольца для статического уплотнения

Уплотнительное кольцо - это разновидность экструзионного уплотнения. Основной принцип работы экструзионного уплотнения заключается в том, что оно опирается на упругую деформацию уплотнения для создания контактного давления на уплотняемой поверхности. Если это контактное давление больше внутреннего давления уплотняемой среды, утечки не будет, в противном случае произойдет утечка. Процесс, в котором среда сама изменяет состояние контакта уплотнительного кольца для достижения герметичности, называется "самоуплотнением".

Предварительное уплотнение Q-образным кольцом

Эффект самозапечатывания:

Благодаря эффекту предварительного уплотнения уплотнительное кольцо находится в тесном контакте как с уплотняемой гладкой поверхностью, так и с дном канавки. В результате, когда жидкость попадает в канавку через зазор, она воздействует только на одну сторону уплотнительного кольца. Когда давление жидкости велико, она толкает уплотнительное кольцо к другой стороне канавки и сжимает его в D-образную форму, передавая давление на контактную поверхность.

Однако способность уплотнительных колец к самоуплотнению ограничена. При слишком высоком внутреннем давлении уплотнительное кольцо может подвергнуться "выдавливанию резины". Это происходит, когда в месте уплотнения образуется зазор, а высокое давление вызывает концентрацию напряжения в этом зазоре. Когда напряжение достигает определенного уровня, резина выдавливается наружу. Хотя уплотнительное кольцо может временно сохранять герметичность, на самом деле оно повреждено. Поэтому важно тщательно выбирать подходящее уплотнительное кольцо для конкретного применения.

2.2 Функция уплотнительного кольца для динамического уплотнения

На сайте динамические уплотненияЭффекты предварительного уплотнения и самоуплотнения уплотнительного кольца аналогичны эффектам в статических уплотнениях. Однако в динамических уплотнениях ситуация сложнее из-за возможности попадания жидкости между уплотнительным кольцом и штоком во время движения.

Когда шток находится в рабочем состоянии, если на левую сторону уплотнительного кольца действует давление среды P1 (как показано на рис. a), контактное давление, создаваемое уплотнительным кольцом на штоке, превышает P1 за счет эффекта самоуплотнения, обеспечивая герметичность.

Однако, когда стержень начинает двигаться вправо, среда, прикрепленная к стержню, попадает в зазор между уплотнительным кольцом и стержнем (рис. b). Из-за гидродинамического эффекта давление этой части среды больше, чем P1, и может превысить силу контакта уплотнительного кольца со стержнем, что приведет к выдавливанию среды в первую канавку уплотнительного кольца (рис. c). При дальнейшем движении стержня вправо среда продолжит поступать в следующую канавку, что приведет к утечке в направлении движения стержня.

Утечка менее вероятна при движении штока влево, так как направление движения противоположно направлению давления на шток. Вероятность утечки возрастает с увеличением вязкости среды и скорости перемещения штока, а также тесно связана с размером и рабочим давлением уплотнительного кольца.

2.3 Sуплотнительное кольцо

  1. Кольцевые уплотнения можно разделить на категории в зависимости от относительного движения между уплотнением и герметизируемым устройством:
  • Статические уплотнения
  • Рециркуляционные уплотнения
  • Вращающиеся уплотнения
  • Уплотнения переключателей
  1. По степени сжатия (плотности) посадки кольцевого уплотнения в прямоугольный паз можно разделить на пять основных видов:
  • Компрессионный крой
  • Затягивающийся рукав
  • Гидравлическая посадка
  • Пневматическая посадка
  • Вращающаяся посадка

Кроме того, имеется уплотнение, устанавливаемое в паз с фаской на торцевой поверхности, а также два специальных метода уплотнения:

  • Скользящее уплотнение
  • Плавающее уплотнение
  1. По структуре уплотняемых деталей кольцевые уплотнения можно разделить на следующие типы:
  • Торцевые уплотнения, включающие осевые и угловые уплотнения (например, уплотнения с фасочной канавкой на торцевой поверхности отверстия или вала)
  • Цилиндрические уплотнения, включающие радиальные уплотнения (например, цилиндрические уплотнения внутреннего диаметра для поршневых штоков и цилиндрические уплотнения наружного диаметра для поршней)
  • Конические уплотнения
  • Сферические уплотнения.

3. Конструкция и применение уплотнительных колец

3.1 Sэксплуатационные параметры уплотнительного кольца

3.1.1 Cкоэффициент сжатия

Коэффициент сжатия (W) уплотнительного кольца выражается как:

W = (d2 - h) / d2 × 100%

Где:

d2 - диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца в свободном состоянии (мм)

h - расстояние между дном канавки уплотнительного кольца и уплотняемой поверхностью (глубина канавки), которое представляет собой высоту поперечного сечения уплотнительного кольца после сжатия (мм).

При выборе степени сжатия уплотнительного кольца важно учитывать следующие факторы:

  • Достаточная площадь уплотнительного контакта
  • Минимальное трение
  • Предотвращение постоянной деформации

При выборе степени сжатия (W) следует также учитывать условия эксплуатации и то, является ли уплотнение статическим или динамическим.

Статические уплотнения можно дополнительно разделить на радиальные и осевые. Радиальные уплотнения имеют радиальные зазоры, а осевые уплотнения - осевые зазоры.

Осевые уплотнения можно также разделить на уплотнения с внутренним давлением и уплотнения с внешним давлением, в зависимости от того, на какой диаметр уплотнительного кольца воздействует среда под давлением - внутренний или внешний. Внутреннее давление увеличивает натяжение, в то время как внешнее давление уменьшает начальное натяжение уплотнительного кольца.

Для этих различных форм статических уплотнений направление движения уплотняющей среды на уплотнительном кольце отличается, поэтому конструкция предварительного давления также отличается.

Для динамических уплотнений важно различать возвратно-поступательные и вращающиеся уплотнения.

  • Статическое уплотнение: Цилиндрическое статическое уплотнение аналогично поршневому уплотнению и обычно имеет степень сжатия от -10% до 15%. Плоское статическое уплотнение имеет степень сжатия от -15% до 30%.
  • Для динамических уплотнений их можно разделить на три случая: При возвратно-поступательном движении степень сжатия обычно составляет от 10% до -15%.

При выборе степени сжатия уплотнений для вращательного движения необходимо учитывать тепловой эффект Джоуля. Как правило, внутренний диаметр уплотнительного кольца, используемого для вращательного движения, на 3% - 5% больше диаметра вала, а степень сжатия наружного диаметра составляет от -3% до 8%.

Для уплотнительных колец, используемых в условиях низкого трения, обычно выбирается небольшой коэффициент сжатия от 5% до 8% для снижения сопротивления трению. Также важно учитывать расширение резиновых материалов под воздействием среды и температуры.

Как правило, максимально допустимая скорость расширения составляет 15% в дополнение к заданной деформации сжатия. Если этот диапазон превышен, это указывает на то, что выбор материала не соответствует действительности, и следует либо использовать другой материал для уплотнительного кольца, либо скорректировать заданную скорость деформации при сжатии.

3.1.2 Sколичество растяжений

После установки уплотнительного кольца в уплотнительную канавку оно, как правило, имеет определенный уровень натяжения. Этот натяг, как и степень сжатия, в значительной степени влияет на эффективность уплотнения и срок службы уплотнительного кольца. Чрезмерное натяжение затрудняет установку уплотнительного кольца и снижает коэффициент сжатия, что приводит к утечке.

Сумму растяжения можно рассчитать по следующей формуле:

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

Где:

d - диаметр вала (мм) d1 - внутренний диаметр уплотнительного кольца (мм)

Рекомендуемый диапазон величины растяжения составляет от 1% до 5%. В таблице 1 приведена рекомендуемая величина растяжения для уплотнительных колец, а величина растяжения может быть выбрана и ограничена в зависимости от диаметра вала.

Таблица I Пределы степени сжатия и величины растяжения уплотнительного кольца

Форма пломбыУплотнительная средаРастягивающееся количество a (%)Степень сжатия w (%)
Статическое уплотнениеГидравлическое масло1.03~1.0415~25
Воздух<1.0115~25
Возвратно-поступательное движениеГидравлическое масло1.0212~17
Воздух<1.010.95~112~173~8
Вращательное движениеГидравлическое масло0.95~13~8

3.2 Iустановочная канавка уплотнительного кольца

Сжатие уплотнительного кольца в первую очередь определяется конструкцией и размерами установочной канавки.

Чаще всего используются прямоугольные и треугольные канавки, причем треугольные канавки применяются только для специальных фиксированных уплотнений.

Форма канавок для статических, возвратно-поступательных и динамических уплотнений может быть одинаковой, но их размеры варьируются в зависимости от требований к сжатию.

3.2.1 Sширина участка

Ширина щели рассматривается со следующих трех точек зрения:

  • Он должен быть больше, чем максимальный диаметр уплотнительного кольца после деформации сжатия.
  • Необходимо учитывать влияние нагрева, вызванного движением, на расширение и разбухание уплотнительного кольца.
  • В канавке должно быть предусмотрено достаточное пространство, чтобы уплотнительное кольцо могло свободно катиться при возвратно-поступательном движении.

Обычно рекомендуется, чтобы площадь поперечного сечения уплотнительного кольца занимала не менее 85% площади прямоугольного поперечного сечения. Во многих случаях ширина канавки в 1,5 раза превышает диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца.

Важно отметить, что узкая канавка увеличивает трение и приводит к повышенному износу уплотнительного кольца. С другой стороны, если канавка слишком широкая, это увеличит диапазон движения уплотнительного кольца и сделает его более восприимчивым к износу. Кроме того, в статических уплотнениях с пульсирующим давлением уплотнительное кольцо может испытывать пульсирующее движение и изнашиваться неравномерно.

В условиях высокого давления необходимо использовать стопорное кольцо, а ширина канавки должна быть соответственно увеличена.

3.2.2 Gглубина канавки

Глубина канавки является решающим фактором для правильного функционирования уплотнительного кольца. Она в основном зависит от деформации уплотнительного кольца при сжатии.

Эта деформация состоит из деформации сжатия (A1) на внутреннем диаметре уплотнительного кольца и деформации сжатия (A2) на внешнем диаметре уплотнительного кольца.

Когда A1=A2, сечение уплотнительного кольца совпадает с центром сечения канавки, а две окружности равны, что свидетельствует о том, что уплотнительное кольцо не растянуто во время установки.

Когда A1>A2, окружность центра участка уплотнительного кольца меньше, чем окружность центра канавки, что указывает на то, что уплотнительное кольцо установлено в растянутом состоянии.

Если A1<A2, периметр участка уплотнительного кольца больше центрального периметра участка канавки. В этом случае уплотнительное кольцо устанавливается с окружным сжатием, и при демонтаже оно будет отскакивать.

При проектировании глубины канавки в первую очередь следует учитывать предполагаемое использование уплотнительного кольца, а затем выбирать разумную скорость деформации при сжатии. Также следует учитывать разбухание материала в среде, разбухание самого материала и другие сопутствующие факторы.

Однако существуют соответствующие стандарты, предусмотренные государством для структуры пазов.

3.2.3 Sвыбор и проектирование канавок

1. Форма установки паза

Объясните:

  • Чтобы предотвратить повреждение уплотнительного кольца из-за сжатия в зазоре, обычно рекомендуется закрепить уплотнение, если рабочее давление жидкости превышает 10 МПа. Если давление жидкости превышает 32 МПа, необходимо добавить уплотнительное кольцо (как показано на рис. c). Количество колец зависит от давления уплотнительного кольца.
  • Если на осевое уплотнение действует внешнее давление, важно добавить бобышку диаметром d8, чтобы предотвратить попадание уплотнительного кольца в трубопровод.

Таблица II Размер радиальной канавки уплотнительного кольца

Диаметр сечения уплотнительного кольца d21.802.653.555.307.00
ширина траншеиПневматическое уплотнение2.23.44.66.99.3
Гидравлическое динамическое уплотнение или статическое уплотнениеb+0.252.43.64.87.19.59.5
b1+0.253.85.06.29.012.3
b2+0.255.26.47.610.915.1
Глубина канавки tУплотнение штока поршня, (для расчета d3)Гидравлическое динамическое уплотнение1.422.162.964.485.95
Пневматическое уплотнение1.462.233.034.656.20
Статическое уплотнение1.382.072.744.195.67
Уплотнение штока поршня, (для расчета d6)Гидравлическое динамическое уплотнение1.472.243.074.666.16
Пневматическое уплотнение1.572.373.244.866.43
Статическое уплотнение1.422.152.854.365.89
Минимальная длина фаски Zmin1.11.51.82.73.6
Радиус зачистки дна канавки r10.2-0.40.4-0.80.8-1.2
Радиус окантовки канавки r20.1-0.3
Максимальный диаметр дна канавки уплотнения штока поршня d3max=d4+2t, d4 диаметр поршневого штока
Минимальный диаметр дна канавки уплотнения штока поршня d6мин=d5max+2t, d5max максимальный диаметр поршневого штока.

В Китае установлены стандарты на размер канавок для уплотнительных колец. Подробная информация приведена в таблице 3.

Таблица III Размер канавки и сжатие для уплотнения

Допуск на размер сечения 0-кольца1.9±0.082.4±0.083.1±0.103.5±0.105.7±0.158.6±0.16
Осевое фиксированное уплотнениеВеличина сжатия0.60~0.400.70~0.5040.85~0.550.90~0.651.3~0.91.6~1.0
Размер канавкиh1.3~1.51.7~1.92.25~2.552.60~2.854.40~4.807.00~2.60
b2.503.204.24.707.5011.2
r≤0.400.70.80
Для спортаВеличина сжатия0.47~0.280.47~0.270.54~0.300.60~0.3240.85~0.451.06~0.68
Размер канавкиh1.43~1.621.93~2.132.65~2.802.90~3.184.85~5.257.54~7.92
bБез стопорного кольца2.53.24.24.707.511.2
Добавьте стопорное кольцо3.94.45.26.09.013.2
Добавьте два стопорных кольца5.406.07.07.811.517.2
r≤0.40.70.8
Примечание:
h - высота канавки; b - ширина траншеи; r - фаска канавки.

3. Требования к обработке кольцевых канавок

Для предотвращения утечек из-за царапин и неправильной установки существуют определенные требования к точности канавок и сопутствующих компонентов при установке уплотнительных колец.

Во-первых, края, проходящие при установке, должны быть тупыми или закругленными, а внутреннее отверстие, проходящее через него, должно быть скошено под углом 10-20 градусов.

Во-вторых, необходимо тщательно продумать точность поверхности на пути установки уплотнительного кольца. Вал должен иметь низкое значение шероховатости и при необходимости смазываться.

Требования к точности монтажного паза и совпадающей поверхности приведены в таблице IV.

Таблица IV Шероховатость поверхности сопрягаемых частей О-образной канавки резинового уплотнения

поверхностьПриложенияСостояние давления.Отделка поверхности
Дно и боковые стороны траншеиГерметичное уплотнениеНепеременные и неимпульсные,R.3.2um
Чередование или пульсация,R.1.6um
Динамическое уплотнение,Непеременные и неимпульсные.
Сопрягаемая поверхностьГерметичное уплотнениеНепеременные и неимпульсные.R.1.6um.
Чередование или пульсация,R.0.8um
Динамическое уплотнениеR0.4 μ m

3.3 Mвыбор материала для уплотнительного кольца

При выборе материала уплотнительного кольца учитываются следующие факторы:

  • Рабочее состояние уплотнительного кольца, например, используется ли оно для статического уплотнения, динамического уплотнения или уплотнения скольжения.
  • Рабочее состояние машины, включая то, работает ли она непрерывно или с перерывами, продолжительность каждого перерыва и его влияние на уплотнительный компонент.
  • Рабочая среда, будь то газ или жидкость, и ее физические и химические свойства.
  • Рабочее давление, включая величину давления, амплитуду колебаний, частоту и максимальное мгновенное давление.
  • Рабочая температура, включая мгновенную температуру и чередование горячей и холодной температуры.
  • Стоимость и доступность.

Как правило, нитрильный каучук используется для обеспечения маслостойкости, хлоропреновый - для обеспечения атмосферостойкости и озоностойкости, акрилатный или хлоркаучук - для обеспечения теплостойкости, полиуретановый - для обеспечения устойчивости к высокому давлению и износостойкости, а сополиазольный - для обеспечения холодостойкости и маслостойкости.

Область применения различных клеев приведена в таблице 5.

Таблица V Спецификация по использованию кольцевых уплотнительных материалов

МатериаловедениеПрименяемые носителиТемпература эксплуатации / ℃Примечания
Для спортаСтатическое использование
Нитриловый каучукМинеральное масло, бензин, бензол80-30~120
НеопренВоздух, вода, кислород80-40~120Меры предосторожности при занятиях спортом
бутиловый каучукЖивотное и растительное масло, слабая кислота, щелочь80-30~110Большая постоянная деформация, не подходит для минерального масла
бутадиен-стирольный каучукЩелочь, животное и растительное масло, воздух, вода80-30~100Не применимо к минеральному маслу
Натуральный каучукВода, слабая кислота, слабое основание60-30~90Не применимо к минеральному маслу
силиконовая резинаМасло для высоких и низких температур, минеральное масло, животное и растительное масло, кислород, слабая кислота, слабое основание-60~260-60~260Не подходит для пара, избегайте использования в движущихся частях
Хлорсульфонированный полиэтиленВысокотемпературное масло, кислород, озон100-10~150Избегайте использования в движущихся частях
Полиуретановая резинаВода, масло60-30~80Износостойкость, но избегайте использования на высоких скоростях
ФторопластГорячее масло, паровой воздух, неорганическая кислота150-20~200
тефлонКислоты, основания, различные растворители-100~260Не применимо к движущимся частям

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 5 / 5. Количество оценок: 1

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх