L'o-ring è uno dei tipi di tenuta più semplici e comuni per un'ampia gamma di applicazioni statiche e dinamiche. Il design della scanalatura dell'o-ring è relativamente semplice: seguendo regole ben sviluppate per la geometria della scanalatura, si ottiene una tenuta economica e affidabile. La tendenza dell'o-ring a ritornare alla sua forma originale quando la sezione trasversale viene compressa è uno dei motivi principali per cui un o-ring costituisce un'ottima tenuta.
Come si usa un o-ring?
In poche parole, una guarnizione o-ring è composta da una sezione trasversale circolare elastomerica in una scanalatura progettata per l'o-ring, che fornisce una compressione iniziale.
La forza richiesta per comprimere un o-ring è il risultato del durometro e del diametro della sezione trasversale. L'allungamento dell'O-Ring influisce sulla compressione della guarnizione riducendo la sezione trasversale, che riduce il potenziale di tenuta dell'O-ring.
A pressione zero o molto bassa, la naturale resilienza della mescola di gomma fornisce la tenuta. Le prestazioni della tenuta possono essere migliorate aumentando la compressione diametrale. Questo aumento della compressione può avere effetti negativi nelle applicazioni di tenuta dinamica a pressione più elevata.
La compressione diametrale fornisce una forza di attrito tra l'o-ring e la scanalatura che lo mantiene nella posizione installata. Progettata per deformarsi, la mescola di gomma scorre fino allo spazio di estrusione, sigillandolo completamente contro le perdite, finché la pressione applicata non è sufficiente a superare le forze di attrito e deformare l'o-ring nel piccolo spazio di estrusione (supponendo che la gomma abbia raggiunto la sua limite del flusso sotto pressione, un ulteriore aumento della forza comporterà la rottura per taglio o estrusione).
La scanalatura è progettata per fornire una forza iniziale sulla guarnizione lungo un asse nell'ordine del 7-30 percento. Questa forza di compressione è solitamente perpendicolare alla forza applicata, determinando un volume libero nella scanalatura sull'altro asse.
Cosa fa un o-ring?
Quando viene applicata la pressione, l'o-ring si sposterà verso il lato a bassa pressione della scanalatura. La pressione di tenuta viene trasmessa alla superficie da sigillare, che in realtà è superiore alla pressione del fluido applicato di un importo pari alla pressione di interferenza iniziale.
L'aumento della pressione applicata crea sollecitazioni di interferenza tra la guarnizione e le superfici di accoppiamento. Finché permane questa situazione, l'o-ring continuerà a funzionare normalmente e in modo affidabile fino a diverse centinaia di libbre di forza, presupponendo che l'o-ring selezionato sia della dimensione corretta e che la scanalatura sia lavorata alla dimensione corretta.
Con l'aumento della pressione, la deformazione dell'anello sarà esagerata, provocando l'estrusione di una sezione dell'anello nello spazio di estrusione. Se lo spazio di estrusione è troppo grande, la guarnizione fallirà dopo essere stata completamente estrusa dall'alta pressione.
Al rilascio della pressione, la resilienza della mescola di gomma fa sì che l'o-ring ritorni alla sua forma naturale, pronto per cicli simili.
Questi materiali, alla loro normale temperatura operativa, sono praticamente impossibili da comprimere e hanno un modulo elastico molto basso. È possibile modificarne la forma (ma non il volume) e la compressione diametrale applicata provocherà un aumento della lunghezza della guarnizione attraverso la scanalatura.
Tale aumento sarà ancora maggiore a causa della dilatazione della gomma dovuta al calore del fluido sigillato e alla compatibilità dei materiali. La scanalatura deve essere opportunamente dimensionata per consentire la massima dilatazione della mescola di gomma, altrimenti l'insieme svilupperà sollecitazioni molto elevate.
Quando viene applicata una forza sufficiente, l'o-ring si sposterà verso il lato a bassa pressione finché non entrerà in contatto con il lato della scanalatura. Una pressione o forza aggiuntiva deformerà l'o-ring verso lo spazio di estrusione. L'o-ring inizialmente si deformerà assumendo una forma a "D". Questa deformazione aumenterà l'area di contatto della superficie del 70-80 percento della sezione trasversale iniziale. L'area di contatto superficiale di un o-ring ad alta pressione è circa il doppio di quella della geometria originale a pressione zero.
La possibilità di estrusione della guarnizione non si limita alle applicazioni dinamiche.
In un'applicazione assiale statica, lo stiramento dei bulloni di assemblaggio ad alta pressione può aprire lo spazio di estrusione abbastanza da consentire perdite.
I limiti di pressione interna sono determinati dal gioco e dalla durezza dell'o-ring (alcuni dati sono forniti nella figura sopra). In pratica, la distanza viene normalmente specificata per una determinata dimensione dell'anello e per una determinata applicazione. Se si opera a basse temperature, potrebbe essere necessario ridurre la profondità della premistoppa per compensare la contrazione dell'anello e fornire la compressione richiesta alla dimensione contratta.
All'altra estremità della scala delle temperature può essere consigliabile aumentare leggermente la profondità della scanalatura per evitare di schiacciare eccessivamente l'anello alle temperature di esercizio. Questo effetto può essere significativo a temperature estreme perché il coefficiente di dilatazione termica degli elastomeri è superiore a quello dei metalli.
Di seguito è riportata una deformazione iniziale di un o-ring in un o-ring scanalato. Da quello che possiamo vedere, sembra che l'o-ring subisca la pressione del sistema.
