طراحی محصول — طراحی آب‌بندی ایستا

هسته طراحی آب‌بند این است که اطمینان حاصل شود با تأثیر ترکیبی عواملی مانند ساختار، تلرانس‌ها، مواد و سایر عوامل، محصول در طول کل عمر خدماتی خود تمام مسیرهای نشت را مسدود کند.

اگر شما تنها در زمان تازه بودن آب‌بند آن را بررسی کنید و چیزهایی مانند تلرانس حلقه آب‌بند، تلرانس قطعات یا عملکرد آب‌بند پس از پیرشدن را نادیده بگیرید، به راحتی ممکن است در آینده نشت رخ دهد. شما باید این عوامل را از ابتدا فرآیند طراحی در نظر بگیرید.

اطلاعات عمومی آب‌بندها را به دو دسته آب‌بندهای ایستا و آب‌بندهای پویا تقسیم می‌کنند (بسته به اینکه در هنگام کار، آب‌بند نسبت به قطعات دارای حرکت نسبی باشد یا خیر). تمرکز طراحی برای هر یک از این دو دسته بسیار متفاوت است. این مقاله صرفاً دربارهٔ آب‌بندهای ایستا صحبت می‌کند.

محتویات

۱. اصل آب‌بندی و حالت‌های شکست

۲. طراحی ساختار حلقه آب‌بند

۱. حالت‌های شکست در وضعیت‌های مختلف

۲. فشار تماس و طول تماس در حالت حداقل متریال (LMC)

۳. نرخ پرکردن و تنش محلی در حالت حداکثر متریال (MMC)

۳. مقاومت حلقه‌های آب‌بند در برابر عوامل جوی

۱. تعریف افت فشردگی

۲. ارتباط تنیدگی (نرخ فشردگی) با فشار، دما و زمان پیرشدن

۳. روش ارزیابی سریع پس از پیرشدن

۴. محدودهٔ این مقاله و موضوعات آینده

۱. اصل آب‌بندی و حالت‌های شکست

یک محصول به دلیل فشرده‌شدن الاستومر (حلقه درزبند) روی سطح تماس و مسدود کردن عبور گاز یا مایع، ایجاد درزبندی می‌کند.

از دیدگاه مسیر نشت، شکست درزبندی دو شکل اصلی دارد:

• نشت در سطح مشترک: هنگامی رخ می‌دهد که بین حلقه درزبند و سطح تماس، تطبیق مناسبی وجود نداشته باشد. مایع در طول سطح مشترک یا شکاف جریان می‌یابد.

• نفوذ در ماده: مولکول‌های گاز یا مایع در سطح مولکولی از خود ماده لاستیکی یا پلاستیکی عبور می‌کنند.

در مهندسی واقعی، آزمون حباب فشار مثبت معمولاً نشت‌های بزرگ در سطح مشترک را به‌راحتی‌تر تشخیص می‌دهد. اما شکست عایق‌بندی پس از غوطه‌وری، برای ارزیابی اینکه آیا کل محصول در سطح سیستمی دچار نشت می‌شود یا خیر، مناسب‌تر است.

یادداشت مهم: نتایج آزمون به‌طور خودکار مکانیسم دقیق شکست را به شما نشان نمی‌دهند. برای مثال، ممکن است محصولی تحت فشار مثبت حبابی ایجاد نکند، اما تحت فشار منفی عایق‌بندی آن ناموفق باشد. این موضوع اثبات‌کنندهٔ نفوذ ماده نیست — بلکه ممکن است ناشی از نشت در سطح تماس، نقص‌های محلی در حلقهٔ آب‌بند یا مسیر دیگری باشد.

۲. طراحی ساختار حلقه آب‌بند

راهنمای طراحی عمومی همه تأکید می‌کنند که در طراحی حلقهٔ آب‌بند، باید میزان فشردگی، پرکردن شیار، وضعیت کشش/نصب، پرداخت سطح و تلرانس‌ها را به‌صورت همزمان بررسی کرد. فشردگی بسیار کم به معنای تماس ضعیف است؛ در مقابل، فشردگی بیش‌ازحد می‌تواند تغییر شکل دائمی را تسریع کند، نیروی مونتاژ را بیش‌ازحد افزایش دهد یا باعث آسیب محلی شود.

در طراحی مهندسی، می‌توانید از تحلیل المان محدود (FEA) برای شبیه‌سازی حلقهٔ آب‌بند تحت شرایط کشش، مونتاژ و غیره استفاده کنید و قابلیت اطمینان آن را با استفاده از شاخص‌های عددی کلیدی ارزیابی نمایید. موارد مهم برای بررسی در زیر آورده شده‌اند.

توجه: این اعداد شاخص‌های مهندسی جایگزین هستند و اندازه‌گیری مستقیم نشت نیستند.

۱. حالت‌های شکست در وضعیت‌های مختلف

در طول بررسی ساختار، ابتدا بررسی کنید که آیا حالت‌های شکست واضحی تحت ترکیبات مختلف ابعاد و وضعیت‌های مونتاژ ظاهر می‌شوند یا خیر، مانند:

• فروپاشی لبه درزبند

• پیچیدگی یا فشرده‌شدن

• بیرون‌زدگی محلی

• مشخص‌سازی واضح تمرکز تنش غیرطبیعی

این مرحله به شما نشان می‌دهد که آیا درزبند همچنان در شرایط کار عادی قرار دارد یا خیر. حتی اگر نرخ فشردگی اسمی مناسب به نظر برسد، اما در صورتی که لبه درزبند در حین مونتاژ شدید فروپاشی یا تا بخورد، قابلیت اطمینان آن همچنان می‌تواند کاهش یابد.

۲. فشار تماس و طول تماس در شرایط LMC (حداقل شرایط ماده)

برای درزبندهای ایستا، شرایط LMC (اندازه حلقه درزبند در حداقل تلرانس و فاصله شیار در حداکثر تلرانس) اغلب ضعیف‌ترین لحظه است، زیرا این ترکیب باعث کاهش راحت‌تر فشار تماس و طول تماس می‌شود.

در زمینه اتصال‌دهنده، تجربه نشان می‌دهد که در طراحی اولیه برای لاستیک سیلیکونی باید به دنبال فشار مثبت بیشتر از ۵۰۰ کیلوپاسکال و طول تماس بیشتر از ۰٫۶ میلی‌متر بود. این مقدار یک مقدار مرجع است که پس از ۱۰۰۸ ساعت در دمای ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد، مقاومت در برابر نشت هوا را تا ۲۸ کیلوپاسکال تأمین می‌کند (معادل تقریبی عمق ۳ متری آب).

یادداشت‌های اضافی:

① در صورت نیاز، تغییر شکل قطعات متصل‌شونده تحت نیرو را نیز در نظر بگیرید.

② فشار تماس و طول تماس بررسی‌های سطح کلان هستند؛ اما در سطح ریز همچنان باید به کانال‌های نشتی ناشی از زبری سطح توجه کرد.

۳. نرخ پرکردن و تنش محلی در شرایط MMC (شرایط حداکثر مقدار ماده)

در شرایط MMC، احتمال فشرده‌شدن بیش از حد حلقه آب‌بندی بیشتر است. روی موارد زیر تمرکز کنید:

• اینکه آیا نرخ پرکردن مقطع بیش از حد بالا است (باید کمتر از ۱۰۰٪ باشد).

• اینکه آیا تنش محلی از حد تحمل ماده فراتر رفته است (باید کمتر از استحکام کششی لاستیک باشد) و تمایل به خردشدن نشان می‌دهد.

• اینکه آیا خطر خروج ماده از بین شیارها (extrusion) وجود دارد.

۳. مقاومت حلقه‌های آب‌بند در برابر عوامل جوی

بخش اولیه به عملکرد حلقه آب‌بند در حالت نو پرداخته و روش تحلیل المان محدود (FEA) می‌تواند نتایج نسبتاً دقیقی برای آن ارائه دهد.

اما مواد لاستیکی در طول زمان دچار تنیدگی دائمی، کاهش تنش، پیرشدگی حرارتی و افت خواص می‌شوند؛ بنابراین سطح تماس آب‌بند به‌تدریج نیروی تماس اولیه خود را از دست می‌دهد.

عبور کردن از بازرسی‌های اولیه به معنای قابلیت اطمینان آن در پایان عمر مفید نیست. شما باید عوامل پیرشدگی را از ابتدا در فرآیند طراحی در نظر بگیرید.

۱. تعریف افت فشردگی

تنیدگی دائمی شاخص کلیدی برای ارزیابی میزان حفظ الاستیسیته لاستیک پس از فشرده‌سازی بلندمدت است.

این امر بدین معناست که پس از فشرده‌سازی و پیرشدگی طولانی‌مدت حلقه آب‌بند، در صورت برداشتن فشار، آن نمی‌تواند به‌طور کامل به شکل اولیه خود بازگردد. هرچه میزان تنیدگی دائمی بیشتر باشد، توان بازیابی آن ضعیف‌تر و خطر از دست دادن تماس مؤثر آب‌بند در پایان عمر مفید بالاتر خواهد بود.

(مقاله در اینجا نموداری از تنیدگی دائمی ارائه می‌کند.)

(این مقاله نشان‌دهنده‌ی ابزار استاندارد صنعتی برای آزمون نشست فشاری حلقه‌های آب‌بند — یعنی یک بلوک لاستیکی با ابعاد استاندارد که بین دو صفحه قرار گرفته است — می‌باشد.)

۲. ارتباط تنیدگی (نرخ فشردگی) با فشار، دما و زمان پیرشدن

از نظر کیفی، سه عامل اصلی عبارتند از: فشار (نرخ فشردگی)، دما و زمان.

(این مقاله نموداری از نشست فشاری لاستیک سیلیکونی VMQ در برابر نرخ فشردگی را نشان می‌دهد. برای لاستیک VMQ، فشردگی بسیار کم یا بسیار زیاد، بهترین گزینه برای عملکرد بلندمدت نیست.)

(توجه: هنگامی که فشردگی بسیار جزئی باشد، عدد «درصد» نشست فشاری ممکن است بسیار بالا به نظر برسد.)

(این مقاله نمودارهایی از نشست فشاری پس از پیرشدن در دماهای مختلف را نشان می‌دهد — دمای بالاتر، بازیابی را بدتر می‌کند.)

(این مقاله عمر تقریبی مواد مختلف آب‌بند در دماهای متنوع را نشان می‌دهد — صرفاً برای مرجع‌گیری.)

(این مقاله نموداری از نشست فشاری لاستیک NBR در برابر زمان پیرشدن را نشان می‌دهد.)

۳. روش ارزیابی سریع پس از پیرشدن

در عمل مهندسی، می‌توانید مقدار قدیمی‌شدهٔ تنظیم فشردگی را دوباره در طراحی اولیه وارد کنید تا به‌سرعت بررسی کنید آیا حاشیهٔ کافی دارید یا خیر و خطر شکست در پایان عمر قطعه را ارزیابی نمایید.

مثال: اگر نرخ فشردگی طراحی اولیه ۱۰٪ باشد، اما پس از ۱۰۰۸ ساعت در دمای ۱۲۵°س مقدار تنظیم فشردگی به ۱۷٪ برسد، آنگاه پس از پیرشدن، دربند احتمالاً دچار شکست خواهد شد. باید نرخ فشردگی اولیه را افزایش داد یا از لاستیکی با عملکرد بهتر در تنظیم فشردگی استفاده کرد.

توجه: این روش برای بررسی‌های سریع یا ارزیابی روند مناسب است، اما نمی‌تواند به‌طور مستقیم نرخ نشت نهایی را پیش‌بینی کند.

۴. محدودهٔ این مقاله و موضوعات آینده

این مقاله چارچوبی کیفی برای طراحی دربند ارائه می‌دهد، اما بسیاری از موضوعات هنوز پوشش داده نشده‌اند؛ از جمله رابطهٔ زبری سطح و دربندی، تأثیر دمای پایین بر عملکرد دربند، روش‌های کمّی برای محاسبهٔ نرخ نشت و ایجاد مدل‌های انطباقی دمایی-پیرشدنی.

مرجع

[۱] شرکت پارکر هانیفین. کتاب راهنمای حلقه‌های O شرکت پارکر: ORD 5700 [M]. کلیولند، اوهایو: شرکت پارکر هانیفین، ۲۰۲۱.

[2] قیان ی. هـ، شیائو هـ. زِ، نیه م. هـ، و همکاران. پیش‌بینی عمر کاوچوک نیتریل تحت تنش فشار در روغن ترانسفورماتور[C]//مجله اولین کنفرانس بین‌المللی اندازه‌گیری، ابزار دقیق و اتوماسیون (ICMIA 2016). پاریس: انتشارات آتلانتیس، ۲۰۱۶: ۱۸۹–۱۹۴. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.