Gli O-ring sono il design meccanico più comune per la tenuta a causa del loro prezzo economico, fabbricazione semplice, funzionamento affidabile e semplici requisiti di installazione. Sebbene gli O-ring siano economici, in alcuni ambienti specifici, la sostituzione frequente aumenterà i costi di manutenzione della macchina e influirà sul normale funzionamento dell'apparecchiatura. Pertanto, è necessario comprendere le caratteristiche degli O-ring.
Da -50 a -60 gradi, i materiali in gomma che non sono resistenti alle basse temperature perderanno completamente la loro sollecitazione iniziale; anche per i materiali in gomma resistenti alle basse temperature, la sollecitazione iniziale in questo momento non sarà superiore al 25% della sollecitazione iniziale a 20 gradi. Questo perché la compressione iniziale dell'O-ring dipende dal coefficiente di dilatazione lineare.
La progettazione e l'uso impropri dell'O-ring accelereranno il suo danno e perderanno le sue prestazioni di tenuta.
Gli esperimenti hanno dimostrato che se il design di ciascuna parte del dispositivo ad anello di tenuta è ragionevole, il semplice aumento della pressione non causerà danni all'O-ring. Nelle condizioni di lavoro di alta pressione e alta temperatura, la causa principale del danno dell'O-ring è la deformazione permanente del materiale dell'O-ring, il morso dello spazio causato dallo schiacciamento dell'O-ring nello spazio di tenuta e la distorsione di l'O-ring durante il movimento.
Deformazione permanente Poiché il materiale in gomma sintetica utilizzato per l'anello di tenuta dell'O-ring è un materiale viscoelastico, la quantità di compressione impostata inizialmente e la capacità di blocco del rimbalzo saranno permanentemente deformate e gradualmente perse dopo un uso a lungo termine, con conseguenti perdite.
La deformazione permanente e la perdita di forza elastica sono i motivi principali per cui gli O-ring perdono le loro prestazioni di tenuta. Di seguito sono riportati i motivi principali della deformazione permanente.
La relazione tra rapporto di compressione e quantità di allungamento e deformazione permanente
Le varie formulazioni di gomma utilizzate per realizzare gli O-ring produrranno il rilassamento della sollecitazione di compressione nello stato compresso. In questo momento, la sollecitazione di compressione diminuirà con l'aumentare del tempo. Maggiore è il tempo di servizio, maggiore è il tasso di compressione e allungamento, maggiore è la caduta di sollecitazione causata dal rilassamento della sollecitazione della gomma, in modo che l'O-ring non sia sufficientemente elastico e perda la sua capacità di tenuta. Si consiglia pertanto di cercare di ridurre il rapporto di compressione nelle condizioni di utilizzo consentite.
Aumentare la dimensione della sezione trasversale dell'O-ring è il modo più semplice per ridurre il rapporto di compressione, ma questo aumenterà la dimensione strutturale. Va notato che quando le persone calcolano il rapporto di compressione, spesso ignorano la riduzione dell'altezza della sezione causata dall'allungamento dell'O-ring durante il montaggio. La variazione dell'area della sezione trasversale di un O-ring è inversamente proporzionale alla variazione della sua circonferenza. Allo stesso tempo, a causa dell'effetto della tensione, cambierà anche la forma della sezione trasversale dell'O-ring, che si manifesta come una diminuzione della sua altezza. Inoltre, a causa della tensione superficiale, la superficie esterna dell'O-ring diventa più piatta, cioè l'altezza della sezione diminuisce leggermente. Questa è anche una manifestazione del rilassamento dello stress da compressione dell'O-ring.
Il grado di deformazione della sezione dell'O-ring dipende anche dalla durezza del materiale dell'O-ring. A parità di allungamento, l'O-ring con elevata durezza avrà anche una maggiore riduzione dell'altezza della sezione trasversale. Da questo punto di vista, i materiali con bassa durezza dovrebbero essere selezionati il più possibile in base alle condizioni di utilizzo. Sotto l'azione della pressione e della tensione del liquido, l'O-ring in gomma subirà gradualmente una deformazione plastica e la sua altezza della sezione trasversale diminuirà di conseguenza, in modo che alla fine perderà la sua capacità di tenuta.
La relazione tra la temperatura e il processo di rilassamento dell'O-ring
La temperatura di servizio è un altro fattore importante che influisce sulla deformazione permanente dell'O-ring. Le alte temperature accelereranno l'invecchiamento dei materiali in gomma.
Maggiore è la temperatura di esercizio, maggiore è il compression set dell'O-ring. Quando la deformazione permanente è superiore al 40 percento, l'O-ring perde la sua capacità di tenuta e perde. Il valore di sollecitazione iniziale formatosi nel materiale in gomma dell'O-ring a causa della deformazione da compressione diminuirà gradualmente e addirittura scomparirà con il processo di rilassamento e la caduta di temperatura dell'O-ring. Per gli O-ring che lavorano a temperature sotto lo zero, la loro compressione iniziale può ridursi o scomparire del tutto a causa di un brusco abbassamento della temperatura. Da -50 a -60 gradi, i materiali in gomma che non sono resistenti alle basse temperature perderanno completamente il loro stress iniziale; anche per i materiali in gomma resistenti alle basse temperature, la sollecitazione iniziale in questo momento non sarà superiore al 25% della sollecitazione iniziale a 20 gradi. Questo perché la compressione iniziale dell'O-ring dipende dal coefficiente di dilatazione lineare. Pertanto, quando si seleziona la compressione iniziale, è necessario garantire che ci sia ancora una capacità di tenuta sufficiente dopo che la sollecitazione diminuisce a causa del processo di rilassamento e della caduta di temperatura. Per gli O-ring che lavorano a temperature sotto zero, particolare attenzione deve essere prestata all'indice di recupero e all'indice di deformazione del materiale in gomma.
Per riassumere, il progetto dovrebbe cercare di garantire che l'O-ring abbia una temperatura di esercizio adeguata o scegliere materiali per O-ring resistenti alle alte e basse temperature per prolungarne la durata.
Pressione di esercizio media e deformazione permanente La pressione del fluido di lavoro è il fattore principale che causa la deformazione permanente dell'O-ring.
La pressione di esercizio delle moderne apparecchiature idrauliche aumenta di giorno in giorno. L'alta pressione a lungo termine causerà una deformazione permanente dell'O-ring. Pertanto, i materiali in gomma resistenti alla pressione appropriati devono essere selezionati in base alla pressione di esercizio durante la progettazione. Maggiore è la pressione di esercizio, maggiore dovrebbe essere la durezza e l'elevata resistenza alla pressione del materiale utilizzato. Per migliorare la resistenza alla pressione del materiale dell'O-ring, aumentare l'elasticità del materiale (in particolare aumentare l'elasticità del materiale a bassa temperatura) e ridurre il set di compressione del materiale, è generalmente necessario migliorare la formula del materiale e aggiungere un plastificante. Tuttavia, se l'O-ring con plastificante viene immerso a lungo nel mezzo di lavoro, il plastificante verrà gradualmente assorbito dal mezzo di lavoro, provocando il restringimento del volume dell'O-ring e potrebbe persino causare una compressione negativa del O-ring (ovvero si verifica uno spazio tra l'O-ring e la superficie della parte sigillata).
Pertanto, quando si calcola la compressione dell'O-ring e si progetta lo stampo, è necessario tenere pienamente conto di questi ritiri. L'O-ring pressato dovrebbe mantenere le dimensioni necessarie dopo essere stato immerso nel mezzo di lavoro per 5-10 giorni e notti.
Il set di compressione dei materiali degli O-ring dipende dalla temperatura. Quando il tasso di deformazione è pari o superiore al 40 percento, si verificheranno perdite, quindi i limiti di resistenza al calore di diversi materiali in gomma sono: gomma nitrilica 70 gradi C, gomma EPDM 100 gradi C, gomma fluorurata 140 gradi C. Pertanto, i paesi hanno emanato normative su la deformazione permanente degli O-ring.
Per O-ring dello stesso materiale, alla stessa temperatura, l'O-ring con un diametro della sezione trasversale maggiore ha un set di compressione inferiore. Nel petrolio la situazione è diversa. Poiché l'O-ring non è in contatto con l'ossigeno in questo momento, le reazioni avverse sopra menzionate sono notevolmente ridotte. Inoltre, di solito provoca una certa espansione della mescola di gomma, quindi il tasso di set di compressione causato dalla temperatura sarà compensato. Pertanto, la resistenza al calore nell'olio è notevolmente migliorata. Prendendo ad esempio la gomma nitrilica, la sua temperatura di lavoro può raggiungere i 120 gradi o superiore.