Уплотнительное кольцо - O-ring

Типичное уплотнительное кольцо и применение

An Уплотнительное кольцо, также известный как упаковка или торический сустав, это механический прокладка в форме тор; это петля эластомер с раундом поперечное сечение, предназначены для посадки в паз и сжатия во время сборки между двумя или более деталями, создавая тюлень на интерфейсе.

Уплотнительное кольцо может использоваться в статических приложениях или в динамических приложениях, где существует относительное движение между частями и уплотнительным кольцом. Динамические примеры включают вращение насос валы и гидравлический цилиндр поршни. Статические применения уплотнительных колец могут включать в себя уплотнения для жидкости или газа, в которых: (1) уплотнительное кольцо сжимается, что приводит к нулевому зазору, (2) материал уплотнительного кольца является вулканизированный твердое вещество, непроницаемое для жидкости или газа, и (3) материал уплотнительного кольца устойчив к разрушению жидкостью или газом.^[1]

Уплотнительные кольца - одно из наиболее распространенных уплотнений, используемых при проектировании машин, поскольку они недороги, просты в изготовлении, надежны и требуют несложного монтажа. Они протестированы на герметичность до 5000 psi (35 мегапаскали ) давления.^[2] Максимальное рекомендуемое давление уплотнительного кольца зависит от твердости уплотнения и зазора сальника.^[3]

Производство

Уплотнительные кольца могут быть произведены экструзия, литье под давлением, формование под давлением или же трансферное формование.^[4]

История

Первый патент на уплотнительное кольцо датирован 12 мая 1896 г. как шведский патент. Дж. О. Лундберг, изобретатель уплотнительного кольца, получил патент.^[5] Патент США ^[6][7] для уплотнительного кольца было подано в 1937 году 72-летним Датский - машинист при рождении, Нильс Кристенсен.^[8] В его ранее поданной заявке в 1933 году, в результате чего был получен Патент 2115383 ^[9], он начинает словами: «Это изобретение относится к новым и полезным усовершенствованиям гидравлических тормозов, в частности к улучшенному уплотнению поршней цилиндров передачи энергии». Он описывает «кольцо круглого сечения ... сделанное из твердой резины или резиновой смеси» и объясняет, что «это скольжение или частичное качение кольца ... перемешивает или обрабатывает материал кольца, чтобы оно оставалось живым и податливым без вредных воздействий. эффекты истирания, вызванные чисто статическим скольжением резины по поверхности. Благодаря этому легкому вращению или замешиванию срок службы кольца продлевается ». В его заявке, поданной в 1937 году, говорится, что она «является частичным продолжением моей совместно рассматриваемой заявки с серийным номером 704 463 на гидравлические тормоза, поданной 29 декабря 1933 года, теперь патент США № 2115 383 выдан 26 апреля 1938 года».

Вскоре после переезда в США в 1891 году он запатентовал пневматическую тормозную систему для трамваи (трамваи). Несмотря на его юридические усилия, его интеллектуальная собственность права передавались от компании к компании, пока они не оказались на Westinghouse.^[8] В течение Вторая Мировая Война, правительство США конфисковало уплотнительное кольцо патент как критический военный товар и дал право производства другим организациям. Кристенсен получил единовременную выплату в размере АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$ 75000 за его старания. Судебный процесс привел к выплате 100 000 долларов его наследникам в 1971 году, через 19 лет после его смерти.^[10]

Теория и дизайн

Монтаж с уплотнительным кольцом для сверхвысокого вакуума. Распределение давления в поперечном сечении уплотнительного кольца. Оранжевые линии - твердые поверхности, на которые оказывается высокое давление. Жидкость в швах имеет более низкое давление. Мягкое уплотнительное кольцо снижает давление на швы.

Доступны уплотнительные кольца различных метрических и дюймовых стандартных размеров. Размеры указаны внутри диаметр и поперечное сечение диаметр (толщина). В США наиболее распространенные стандартные размеры в дюймах соответствуют спецификации SAE AS568C (например, AS568-214). ISO 3601-1: 2012 содержит наиболее часто используемые в мире стандартные размеры, как дюймовые, так и метрические. В Великобритании также есть стандартные размеры, известные как размеры BS, обычно от BS001 до BS932. Также существует несколько других спецификаций размеров.

Типичные области применения

Для успешной конструкции соединения с уплотнительным кольцом требуется жесткий механический монтаж, который обеспечивает предсказуемую деформацию уплотнительного кольца. Это вводит расчетный механический стресс на контактирующих поверхностях уплотнительного кольца. Пока давление из жидкость содержание не превышает контактное напряжение уплотнительного кольца, утечка не может произойти. Давление содержащейся жидкости передается через по существу несжимаемый материал уплотнительного кольца, и контактное напряжение возрастает с увеличением давления. По этой причине уплотнительное кольцо может легко герметизировать высокое давление, если оно не выходит из строя механически. Наиболее частая неисправность - выдавливание сопряженных деталей.

Уплотнение предназначено для точечного контакта между уплотнительным кольцом и уплотнительными поверхностями. Это позволяет создавать высокое локальное напряжение, способное выдерживать высокое давление, не превышая предела текучести корпуса уплотнительного кольца. Гибкий характер материалов уплотнительных колец компенсирует недостатки монтажных деталей. Но по-прежнему важно поддерживать хорошее качество поверхности этих сопрягаемых деталей, особенно при низких температурах, когда резина уплотнения достигает своей температура стеклования и становится все более негибким и застывшим. Чистота поверхности также особенно важна в динамических приложениях. Слишком шероховатая обработка поверхности приведет к истиранию поверхности уплотнительного кольца, а слишком гладкая поверхность не позволит должным образом смазывать уплотнение пленкой жидкости.

Вакуумные приложения

В вакуум При применении, проницаемость материала делает точечные контакты непригодными для использования. Вместо этого используются более высокие монтажные усилия, и кольцо заполняет всю канавку. Также круглый опорные кольца используются, чтобы уберечь кольцо от чрезмерной деформации ^[11][12][13]Потому что кольцо чувствует давление внешней среды и парциальное давление газов только у уплотнения, их градиенты будут крутыми вблизи тюлень и неглубокие в объеме (противоположно градиенту контактного напряжения ^[14]Видеть: Вакуумный фланец # KF.2FQF. Высоковакуумные системы ниже 10⁻⁹ Торр использовать медь или же никель Уплотнительные кольца. Кроме того, вакуумные системы, которые необходимо погружать в жидкий азот использовать индий Уплотнительные кольца, потому что резинка становится трудно и хрупкий при низких температурах.

Применение при высоких температурах

В некоторых высокотемпературных приложениях может потребоваться установка уплотнительных колец в тангенциально сжатом состоянии, чтобы компенсировать Эффект Гоу-Джоуля.

Размеры

Уплотнительные кольца бывают разных размеров. Стандарт аэрокосмической отрасли 568 Общества автомобильных инженеров (SAE) (AS568)^[15] определяет внутренние диаметры, поперечные сечения, допуски и идентификационные коды размеров (номера штрихов) для уплотнительных колец, используемых в уплотнениях, и для прокладок бобышек трубных фитингов с прямой резьбой. Британский стандарт (BS), которые представляют собой британские или метрические размеры. Типичными размерами уплотнительного кольца являются внутренний размер (id), внешний размер (od) и толщина / поперечное сечение (cs)

Метрические уплотнительные кольца обычно определяются внутренним размером x поперечное сечение. Типовой номер детали для метрического уплотнительного кольца - ID x CS [материал и твердость по берегу ] 2x1N70 = определяет это уплотнительное кольцо с внутренним диаметром 2 мм и поперечным сечением 1 мм, изготовленным из нитрилового каучука 70Sh. Уплотнительные кольца BS определены стандартом.

Самое большое в мире уплотнительное кольцо было произведено в результате успешной попытки занести в Книгу рекордов Гиннеса компанию Trelleborg Sealing Solutions. Тьюксбери в партнерстве с группой из 20 студентов из школы Тьюксбери. Кольцо круглого сечения, которое когда-то было закончено и размещено вокруг средневекового аббатства Тьюксбери, имело окружность 364 м (около 116 м) и поперечное сечение 7,2 мм.^[16]

Материал

Небольшие уплотнительные кольца

Выбор уплотнительного кольца зависит от химической совместимости, температуры применения, давления уплотнения, смазка требования, твердомер, размер и стоимость.^[17]

Синтетические каучуки - Термореактивные материалы:

• Бутадиеновый каучук (BR)
• Бутилкаучук (IIR)
• Хлорсульфированный полиэтилен (CSM)
• Эпихлоргидрин резина (ECH, ECO)
• Этиленпропилендиеновый мономер (EPDM): хорошая стойкость к горячей воде и пару, моющим средствам, растворам едкого калия, растворам гидроксида натрия, силикон масла и смазки, многие полярные растворители и многие разбавленные кислоты и химикаты. Специальные составы отлично подходят для использования с тормозными жидкостями на основе гликоля. Не подходит для использования с минеральными маслами: смазочными материалами, маслами или топливом. Компаунды, отверждаемые пероксидом, подходят для более высоких температур.^[18]
• Этиленпропиленовый каучук (EPR)
• Фторэластомер (FKM): отличается очень высокой устойчивостью к нагреванию и широкому спектру химикатов. Другие ключевые преимущества включают отличную устойчивость к старению и озону, очень низкую газопроницаемость и тот факт, что материалы являются самозатухающими. Стандартные материалы FKM обладают превосходной стойкостью к минеральным маслам и смазкам, алифатическим, ароматическим и хлорированным углеводородам, топливу, негорючим гидравлическим жидкостям (HFD) и многим органическим растворителям и химическим веществам. Обычно неустойчивы к горячей воде, пару, полярным растворителям, тормозным жидкостям на основе гликоля и органическим кислотам с низким молекулярным весом. В дополнение к стандартным материалам FKM доступен ряд специальных материалов с различным составом мономеров и содержанием фтора (от 65% до 71%), которые обеспечивают улучшенную химическую или температурную стойкость и / или лучшие характеристики при низких температурах.^[18]
• Нитриловый каучук (NBR, HNBR, HSN, Buna-N): обычный материал для уплотнительных колец из-за его хороших механических свойств, устойчивости к смазочным материалам и консистентным смазкам и относительно низкой стоимости. Свойства физической и химической стойкости материалов NBR определяются содержанием акрилонитрила (ACN) в базовом полимере: низкое содержание обеспечивает хорошую гибкость при низких температурах, но обеспечивает ограниченную стойкость к маслам и топливу. По мере увеличения содержания ACN гибкость при низких температурах уменьшается, а устойчивость к маслам и топливу улучшается. На свойства физической и химической стойкости материалов NBR также влияет система отверждения полимера. Материалы, отвержденные пероксидом, имеют улучшенные физические свойства, химическую стойкость и термические свойства по сравнению с материалами, отвержденными донорами серы. Стандартные сорта NBR обычно устойчивы к смазкам и консистентным смазкам на основе минеральных масел, многим сортам гидравлических жидкостей, алифатическим углеводородам, силиконовым маслам и консистентным смазкам, а также к воде до температуры около 80 ° C. NBR обычно не устойчив к ароматическим и хлорированным углеводородам, топливу с высоким содержанием ароматических соединений, полярным растворителям, тормозным жидкостям на основе гликоля и негорючим гидравлическим жидкостям (HFD). NBR также имеет низкую устойчивость к озону, атмосферным воздействиям и старению. HNBR значительно повышает устойчивость к нагреванию, озону и старению, а также придает ему хорошие механические свойства.^[18]
• Перфторэластомер (FFKM)
• Полиакрилатный каучук (ACM)
• Полихлоропрен (неопрен ) (CR)
• Полиизопрен (ИК)
• Полисульфидный каучук (PSR)
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ)
• Sanifluor (FEPM)
• Резинка (SiR): известны своей способностью использоваться в широком диапазоне температур и отличной устойчивостью к озону, погодным условиям и старению. По сравнению с большинством других уплотнительных эластомеров, силиконы обладают плохими физическими свойствами. Как правило, силиконовые материалы физиологически безвредны, поэтому они обычно используются в пищевой и фармацевтической промышленности. Стандартные силиконы устойчивы к воде (до 100 ° C / 212 ° F), алифатическим моторным и трансмиссионным маслам, животным и растительным маслам и жирам. Силиконы, как правило, не устойчивы к топливу, ароматическим минеральным маслам, пару (возможно кратковременное воздействие до 120 ° C / 248 ° F), силиконовым маслам и смазкам, кислотам или щелочам. Фторсиликоновые эластомеры гораздо более устойчивы к маслам и топливу. Температурный диапазон применения несколько более ограничен.^[18]
• Бутадиен-стирольный каучук (SBR)

Термопласты:

• Термопластический эластомер (TPE) стиролы
• Термопластический полиолефин (TPO) LDPE, HDPE, LLDPE, ULDPE
• Термопластик полиуретан (ТПУ) полиэфир, полиэстер: Полиуретаны отличаются от классических эластомеров гораздо лучшими механическими свойствами. В частности, они обладают высокой устойчивостью к истиранию, износу и выдавливанию, высоким пределом прочности на разрыв и отличным сопротивлением разрыву. Полиуретаны обычно устойчивы к старению и озону, минеральные масла и смазки, силиконовые масла и смазки, негорючие гидравлические жидкости HFA и HFB, вода до 50 ° C и алифатические углеводороды.^[18]
• Сополимеры термопластичных эфиров, терэластомеров (TEEE)
• Термопластический полиамид (ПЭБА) Полиамиды
• Обработка резины в расплаве (MPR)
• Термопластический вулканизат (TPV)

Химическая совместимость:

• Воздух, 200 - 300 ° F - Силикон
• Пиво - EPDM
• Хлорная вода - Витон (FKM)
• Бензин - Буна-Н или Витон (ФКМ)
• Гидравлическое масло (нефтяная база, промышленное) - Буна-Н
• Гидравлические масла (синтетическая основа) - Viton
• Вода - EPDM
• Моторные масла - Буна-Н

^[19]

Другие уплотнения

Уплотнительное кольцо и другие уплотнительные профили

Хотя первоначально уплотнительное кольцо было названо так из-за его круглого поперечного сечения, теперь существуют вариации конструкции поперечного сечения. Форма может иметь разные профили, Х-образный профиль, обычно называемый X-образным кольцом, Q-образным кольцом или под торговой маркой Quad Ring. При сжатии при установке они уплотняются 4 контактными поверхностями - 2 небольшими контактными поверхностями сверху и снизу.^[20] . Это контрастирует со сравнительно большими единичными контактными поверхностями верхней и нижней части стандартного уплотнительного кольца. Х-образные кольца чаще всего используются в системах с возвратно-поступательным движением, где они обеспечивают меньшее трение при движении и отрыве, а также снижают риск образования спирали по сравнению с уплотнительными кольцами.

Существуют также кольца с квадратным профилем, обычно называемые квадратными, токарными, табличными или квадратными кольцами. Когда уплотнительные кольца продавались по наивысшей цене из-за новизны, отсутствия эффективных производственных процессов и высокой трудоемкости, квадратные кольца были представлены как экономичная замена уплотнительным кольцам. Квадратное кольцо обычно изготавливают путем формования эластомерной втулки, которую затем вырезают на токарном станке. Этот тип уплотнения иногда дешевле в производстве с использованием определенных материалов и технологий формования (прессование, трансферное формование, литье под давлением ), особенно на малых объемах. Физические характеристики уплотнения квадратных колец в статических приложениях выше, чем у уплотнительных колец, однако в динамических приложениях они хуже, чем у уплотнительных колец. Квадратные кольца обычно используются только в динамических приложениях в качестве активаторов в узлах уплотнения крышки. Квадратные кольца также могут быть сложнее установить, чем уплотнительные кольца.

Подобные устройства с некруглым сечением называются уплотнения, набивки или прокладки. Смотрите также шайбы.^[21]

Головки цилиндров в автомобилях обычно герметизируются плоскими прокладками, покрытыми медью.

Кромки ножей, запрессованные в медные прокладки, используются для высокого вакуума.

В качестве уплотнений используются эластомеры или мягкие металлы, которые затвердевают на месте.

Режимы отказа

Материалы уплотнительного кольца могут подвергаться воздействию высоких или низких температур, химическому воздействию, вибрации, истиранию и перемещению. Эластомеры подбираются в зависимости от ситуации.

Существуют материалы для уплотнительных колец, которые могут выдерживать температуры от -200 ° C до 250 ° C. На нижнем уровне почти все инженерные материалы становятся жесткими и теряют герметичность; в верхней части материалы часто горят или разлагаются. Химическое воздействие может привести к разрушению материала, появлению хрупких трещин или его разбуханию. Например, уплотнения из NBR могут треснуть при воздействии озон газ в очень низких концентрациях, если он не защищен. Набухание при контакте с жидкостью с низкой вязкостью вызывает увеличение размеров, а также снижает предел прочности резины. Другие неисправности могут быть вызваны использованием кольца неподходящего размера для конкретной выемки, что может вызвать выдавливание резины.

Эластомеры чувствительны к ионизирующему излучению. В типичных случаях уплотнительные кольца хорошо защищены от менее проникающего излучения, такого как ультрафиолет и мягкое рентгеновское излучение, но более проникающее излучение, такое как нейтроны, может вызвать быстрое ухудшение. В таких средах используются уплотнения из мягкого металла.

Существует несколько распространенных причин отказа уплотнительного кольца:

1. Повреждение при установке - это вызвано неправильной установкой уплотнительного кольца.

2. Отказ спирали - обнаруживается на уплотнениях длинноходных поршней и - в меньшей степени - на уплотнениях штока. Уплотнение «зависает» в одной точке своего диаметра (у стенки цилиндра) и одновременно скользит и катится. Это скручивает уплотнительное кольцо во время цикла работы герметичного устройства и, наконец, вызывает серию глубоких спиральных надрезов (обычно под углом 45 градусов) на поверхности уплотнения.

3. Взрывная декомпрессия. Эмболия уплотнительного кольца, также называемая разрывом вследствие расширения газа, возникает, когда газ под высоким давлением оказывается в ловушке внутри эластомерного уплотнительного элемента. Это расширение вызывает пузыри и разрывы на поверхности уплотнения.

Претендент катастрофа

Было установлено, что отказ уплотнительного кольца является причиной Катастрофа космического корабля "Челленджер" 28 января 1986 года. Решающим фактором была холодная погода перед запуском. Это было хорошо продемонстрировано по телевидению Калтех профессор физики Ричард Фейнман, когда он поместил небольшое уплотнительное кольцо в ледяную воду, и впоследствии показал, что гибкость перед следственным комитетом.

Материал вышедшего из строя уплотнительного кольца был FKM, которая была указана подрядчиком по двигателю шаттла, Мортон-Тиокол. Когда уплотнительное кольцо охлаждается ниже его T_грамм (температура стеклования ), он теряет эластичность и становится хрупким. Что еще более важно, когда уплотнительное кольцо охлаждается рядом, но не дальше его T_граммхолодному уплотнительному кольцу после сжатия потребуется больше времени, чем обычно, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Уплотнительные кольца (и все другие уплотнения) работают, создавая положительное давление на поверхность, тем самым предотвращая утечки. В ночь перед запуском были зафиксированы чрезвычайно низкие температуры воздуха. В связи с этим специалисты НАСА провели инспекцию. Температура окружающей среды была в пределах параметров запуска, и пусковая последовательность продолжалась. Тем не менее, температура резиновых уплотнительных колец оставалась значительно ниже, чем температура окружающего воздуха. Во время исследования видеозаписи запуска Фейнман наблюдал небольшое выделение газов из корпуса. Твердотопливный ракетный ускоритель (SRB) на стыке между двумя сегментами в моменты, непосредственно предшествующие бедствию. Это было связано с неисправным уплотнительным кольцом. Вылетавший высокотемпературный газ попал во внешний бак, в результате чего вся машина была разрушена.

Резиновая промышленность претерпела определенные изменения после аварии. Многие уплотнительные кольца теперь поставляются с кодировкой партии и даты отверждения, как в медицинской промышленности, для точного отслеживания и контроля распределения. Для применения в авиакосмической и военной / оборонной сферах уплотнительные кольца обычно индивидуально упаковываются и маркируются с указанием материала, даты отверждения и информации о партии. При необходимости уплотнительные кольца можно снять с полки.^[22] Кроме того, уплотнительные кольца и другие уплотнения обычно проходят серийные испытания для контроля качества производителями и часто проходят проверку / ответ еще несколько раз со стороны дистрибьютора и конечных пользователей.

Что касается самих SRB, то NASA и Morton-Thiokol переработали их конструкцию шарнира, который теперь включал три уплотнительных кольца вместо двух, причем сами шарниры имели встроенные нагреватели, которые можно включить при падении температуры ниже 50 ° F ( 10 ° С). С тех пор проблем с уплотнительными кольцами не возникло. Претендент, и они не играли роли в Космический шатл Колумбия катастрофа 2003 г.

Будущее

Уплотнительное кольцо - один из самых простых, но очень важных и прецизионных механических компонентов, когда-либо разработанных. Но есть новые достижения, которые могут снять часть бремени критического уплотнения с уплотнительного кольца. Есть надомная промышленность из эластомер консультанты, оказывающие помощь в проектировании сосудов высокого давления без уплотнительных колец. Нанотехнологии -резина - одна из таких новых границ. В настоящее время эти достижения повышают важность уплотнительных колец. Поскольку уплотнительные кольца охватывают области химии и материаловедение, любое развитие нанорезины повлияет на производство уплотнительных колец.

Уже есть эластомеры, наполненные наноуглеродом и наноуглеродом.PTFE и залитые в уплотнительные кольца, используемые в высокопроизводительных приложениях. Например, углеродные нанотрубки используются для рассеивания электростатического заряда, а нано-PTFE используется в сверхчистых полупроводник Приложения. Использование нано-PTFE в фторэластомеры и перфторэластомеры улучшается истирание сопротивление, снижает трение, снижает проникновение, и может действовать как чистый наполнитель.

Использование проводящих черный карбон или другие наполнители могут проявлять полезные свойства проводящая резина, а именно предотвращение возникновения электрической дуги, статических искр и общего накопления заряда внутри резины, что может привести к тому, что резина будет вести себя как конденсатор (рассеивающий электростатический заряд). Рассеивая эти заряды, эти материалы, в том числе легированная сажа и резина с металлическими наполнителями, снижают риск воспламенения, что может быть полезно для топливопроводов.

Стандарты

ISO 3601 Гидравлические системы питания - уплотнительные кольца

• ISO 3601-1: 2012 Внутренние диаметры, сечения, допуски и коды обозначений
• ISO 3601-2: 2016 Размеры корпуса для общего применения
• ISO 3601-4: 2008 Антиэкструзионные кольца (опорные кольца)

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• Основы уплотнительных колец от C. Otto Gehrckens