Produktudformning — Statisk tætningsudformning

Kernen i tætningsdesign er at sikre, at produktet gennem den samlede virkning af konstruktion, tolerancer, materialer og andre faktorer blokerer alle utæthedsveje gennem hele sin levetid.

Hvis du kun kontrollerer tætningen, når den er helt ny, og ignorerer faktorer som tolerancer for tætningsringe, dele-tolerancer eller tætningens ydeevne efter aldring, kan der let opstå utætheder senere. Disse faktorer skal indgå i overvejelserne allerede fra designets begyndelse.

Offentlig information inddeler tætninger i statiske tætninger og dynamiske tætninger (om der er relativ bevægelse mellem tætningen og komponenterne under drift). Designfokuset er meget forskelligt for hver type. Denne artikel handler udelukkende om statiske tætninger.

Indhold

1. Tætningsprincip og fejlmåder

2. Konstruktion af tætningsring

1. Fejlmåder i forskellige tilstande

2. Kontakttryk og kontaktlængde ved LMC

3. Fyldningsgrad og lokal spænding ved MMC

3. Vejrmodstandsdygtighed af tætningsringe

1. Definition af kompressionsforringelse

2. Hvordan kompressionsforringelse relaterer sig til tryk (kompressionsgrad), temperatur og aldringstid

3. Hurtig vurderingsmetode efter aldring

4. Omfang af denne artikel og fremtidige emner

1. Tætningsprincip og fejlmåder

Et produkt danner en tætning, fordi elastomeren (tætningsringen) presses mod kontaktfladen og blokerer passage af gas eller væske.

Fra synsvinklen af utæthedsvejen findes der to primære former for tætningsfejl:

• Grænsefladeutæthed: Opstår mellem tætningsringen og kontaktfladen, når pasformen ikke er tilstrækkelig god. Væsken strømmer langs grænsefladen eller gennem spalten.

• Materiel permeation: Gas- eller væskemolekyler trænger gennem selve gummi- eller plastmaterialet på molekylært niveau.

I praksis opdager den positive-tryk bobletest normalt større grænsefladeutætheder mere effektivt. Isolationsfejl efter opblødning er bedre egnet til at vurdere, om hele produktet udviser utæthed på systemniveau.

Vigtig bemærkning: Testresultater fortæller ikke automatisk den præcise fejlmechanisme. For eksempel kan et produkt vise ingen bobler under positivt tryk, men alligevel mislykkes med hensyn til isolering under negativt tryk. Dette beviser ikke, at det skyldes materialepermeation — det kan stadig skyldes en lekkage ved grænsefladen, lokale mangler i tætningsringen eller en anden lekkagevej.

2. Konstruktion af tætningsring

Offentlige designvejledninger understreger alle, at når man designer en tætningsring, skal man samlet betragte kompressionsmængden, udfyldningen af sporet, stræk-/monteringsforholdene, overfladebehandlingen og tolerancerne. For lidt kompression betyder dårlig kontakt; for meget kompression kan accelerere permanent deformation, gøre monteringskraften for høj eller forårsage lokal skade.

For ingeniørmæssig design kan man bruge finite element-analyse (FEA) til at simulere tætningsringen under strækning, montering osv. og vurdere pålideligheden ud fra nøgletal. De vigtige gennemgangspunkter er nedenfor.

Bemærk: Disse tal er ingeniørmæssige indirekte indikatorer, ikke direkte målinger af lekkage selv.

1. Fejlmåder i forskellige tilstande

Under strukturgennemgangen skal du først kontrollere, om der optræder åbenlyse svigttilfælde ved forskellige størrelseskombinationer og monteringsforhold, f.eks.:

• Tætningslæbes sammenbrud

• Krølling eller knibning

• Lokal ekstrusion

• Tydelig unormal spændingskoncentration

Denne trin fortæller dig, om tætningen stadig er i normal driftstilstand. Selvom den nominelle kompressionsprocent ser acceptabel ud, kan pålideligheden alligevel falde, hvis tætningslæben sammenbruder eller folder sig under ekstrem montage.

2. Kontakttryk og kontaktlængde ved LMC (mindst materialebetingelse)

For statiske tætninger er LMC (tætningsringens størrelse ved mindste tolerance, spaltens bredde ved største tolerance) ofte det svageste øjeblik, fordi denne kombination lettere medfører et fald i kontakttryk og kontaktlængde.

I forbindelsesfeltet viser erfaringerne, at den oprindelige konstruktion for silikonegummi bør sigte mod en positiv trykstyrke på over 500 kPa og en kontaktlængde på over 0,6 mm. Dette er en referenceværdi, der kan opfylde lufttæthedskravet på 28 kPa efter 1008 timer ved 125 °C (svarende til ca. 3 m vanddybde).

Yderligere bemærkninger:

① Hvis nødvendigt, skal deformationen af de sammenfaldende dele under påvirkning også tages i betragtning.

② Kontakttryk og kontaktlængde er makroniveauskontroller; på mikroniveauet skal man stadig overveje utæthedsårsager som skyldes overfladeruhed.

3. Udfyldningsgrad og lokal spænding under MMC (Maximum Material Condition)

Under MMC er der større risiko for, at tætningsringen bliver overkomprimeret. Fokuser på:

• Om tværsnitsudfyldningsgraden er for høj (må ikke overstige 100 %).

• Om den lokale spænding overstiger det materiale, som materialet kan klare (må ikke overstige gummietens trækstyrke), og om der er tegn på knusning.

• Om der er risiko for ekstrusion.

3. Vejrmodstandsdygtighed af tætningsringe

Den første del behandlede tætningsringens ydeevne, når den er ny, og FEA kan give ret præcise resultater for dette.

Men gummimaterialer udsættes for permanent kompressionsnedgang, spændingsrelaksation, termisk ældning og egenskabsnedgang over tid, så tætningsgrænsefladen gradvist mister sin oprindelige kontaktkraft.

At bestå de indledende tests betyder ikke, at den stadig vil være pålidelig ved levetidens slutning. Du skal tage ældningsfaktorer i betragtning allerede fra designets start.

1. Definition af kompressionsforringelse

Kompressionsnedgang er en nøgleparameter til vurdering af, hvor godt gummi bevarer sin elasticitet efter langvarig kompression.

Det betyder, at efter tætningsringen er blevet komprimeret og ældet i lang tid, kan den, når trykket fjernes, ikke fuldt ud springe tilbage til sin oprindelige form. Jo større kompressionsnedgangen er, jo dårligere er genopretnings-evnen, og jo større er risikoen for at miste effektiv tætningskontakt ved levetidens slutning.

(Artiklen viser her en diagramtegning af kompressionsnedgang.)

(Artiklen viser den standardmæssige industrielle testanordning til kompressionsforringelse af tætningsringe – en gummiblok i standardstørrelse placeret mellem plader.)

2. Hvordan kompressionsforringelse relaterer sig til tryk (kompressionsgrad), temperatur og aldringstid

Kvalitativt er de tre primære faktorer tryk (kompressionshastighed), temperatur og tid.

(Artiklen viser en graf over VMQ-silicongummis kompressionsforringelse i forhold til kompressionshastighed. For VMQ er både for lidt og for meget kompression ikke optimalt for langtidsholdbarhed.)

(Bemærk: Når kompressionen er meget let, kan tallet for "procentvis" kompressionsforringelse virke meget højt.)

(Artiklen viser grafer over kompressionsforringelse efter aldring ved forskellige temperaturer – højere temperatur forværrer genopretningen.)

(Artiklen viser en omtrentlig levetid for forskellige tætningsmaterialer ved forskellige temperaturer – kun som reference.)

(Artiklen viser en graf over NBR-gummis kompressionsforringelse i forhold til aldringstid.)

3. Hurtig vurderingsmetode efter aldring

I ingeniørpraksis kan du indsætte den alderede værdi for kompressionsforringelse tilbage i den oprindelige konstruktion for hurtigt at kontrollere, om du har tilstrækkelig sikkerhedsmargin, og vurdere risikoen for fejl ved levetidens udløb.

Eksempel: Hvis den oprindelige konstruktions kompressionsgrad er 10 %, men efter 1008 timer ved 125 °C bliver kompressionsforringelsen 17 %, vil tætningen meget sandsynligvis svigte efter aldring. Du bør øge den oprindelige kompressionsgrad eller vælge en gummitype med bedre kompressionsforringelsesegenskaber.

Bemærk: Denne metode er velegnet til hurtige kontrolberegninger eller tendensvurderinger, men ikke til direkte forudsigelse af den endelige lækkagerate.

4. Omfang af denne artikel og fremtidige emner

Denne artikel præsenterer en kvalitativ ramme for tætningskonstruktion, men mange emner er endnu ikke dækket, f.eks. forholdet mellem overfladeglatthed og tætningsevne, effekten af lav temperatur på tætningsydelse, kvantitative metoder til bestemmelse af lækkageraten samt opbygning af temperatur-aldringsfittingsmodeller.

Referencer

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H et al. Levetidsprognose for nitrilkautkuk under kompressionspåvirkning i transformatorolie[C]//Proceedings of the 2016 5th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation (ICMIA 2016). Paris: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.