Tuotesuunnittelu — Staattisen tiivisteen suunnittelu

Tiivisteen suunnittelun ydin on varmistaa, että tuote estää kaikki vuotokuvut koko käyttöikänsä ajan rakenteen, toleranssien, materiaalien ja muiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta.

Jos tarkistat tiivisteen ainoastaan sen ollessa täysin uusi ja jätät huomiotta asioita kuten tiivistärenkaiden toleranssit, osien toleranssit tai tiivisteen suorituskykyä ikääntymisen jälkeen, vuodot voivat syntyä helposti myöhemmin. Nämä tekijät on otettava huomioon jo suunnittelun alussa.

Julkisessa tiedossa tiivisteet jaetaan staattisiin tiivisteisiin ja dynaamisiin tiivisteisiin (riippuen siitä, tapahtuuko tiivisteen ja osien välillä suhteellista liikettä toiminnan aikana). Suunnittelun painopiste on erilainen kummassakin tapauksessa. Tässä artikkelissa käsitellään ainoastaan staattisia tiivisteitä.

Sisällys

1. Tiivistämisperiaate ja vikaantumismuodot

2. Tiivistärenkaan rakennesuunnittelu

1. Eri tiloissa esiintyvät vikaantumismuodot

2. Kosketuspaine ja kosketuspituus LMC-tilanteessa

3. Täyttöaste ja paikallinen jännitys MMC-tilanteessa

3. Tiivistärenkaiden sääkestävyys

1. Puristusmuodonmuutoksen määritelmä

2. Kuinka puristusmuodonmuutos liittyy paineeseen (puristussuhde), lämpötilaan ja ikääntymisaikaan

3. Nopea arviointimenetelmä ikääntymisen jälkeen

4. Tämän artikkelin soveltamisala ja tulevat aiheet

1. Tiivistämisperiaate ja vikaantumismuodot

Tuote muodostaa tiivisteen, koska elastomeeri (tiivistysrengas) puristetaan kosketuspinnalle ja estää kaasun tai nesteen kulkeutumisen läpi.

Vuodon polun näkökulmasta tiivisteen epäonnistuminen ilmenee kahdessa päämuodossa:

• Rajapintavuoto: Ilmenee tiivistysrenkaan ja kosketuspinnan välillä, kun sovitus ei ole riittävän hyvä. Neste virtaa rajapinnan tai raon pitkin.

• Aineen läpäisy: Kaasu- tai nestemolekyylit kulkeutuvat kumimateriaalin tai muovimateriaalin läpi molekulaarisella tasolla.

Todellisessa insinöörityössä positiivisen paineen kuplakoe yleensä havaitsee suuret rajapintavuodot helpommin. Eristyksen epäonnistuminen kastelun jälkeen on parempi menetelmä koko tuotteen vuodon arvioimiseen järjestelmätasolla.

Tärkeä huomautus: Testitulokset eivät automaattisesti kerro tarkkaa vian syynä olevaa mekanismia. Esimerkiksi tuote saattaa näyttää ei yhtään kuplia positiivisessa paineessa, mutta silti epäonnistua eristämisessä negatiivisessa paineessa. Tämä ei todista, että kyseessä olisi materiaalin läpäisevyys – vika saattaa edelleen johtua liitoskohdan vuodosta, tiivistysrenkaan paikallisista virheistä tai muusta vuodon reitistä.

2. Tiivistärenkaan rakennesuunnittelu

Julkiset suunnittelukäsikirjat korostavat kaikki yhdessä, että tiivistysrenkaan suunnittelussa on otettava huomioon yhtä aikaa puristusmäärä, uran täyttöaste, venytys/asennustila, pinnankarheus ja toleranssit. Liian pieni puristus johtaa heikkoontuneeseen kosketukseen; liian suuri puristus puolestaan voi kiihdyttää pysyvää muodonmuutosta, tehdä asennusvoimasta liian suurta tai aiheuttaa paikallisia vaurioita.

Teknisen suunnittelun kannalta voit käyttää äärellisten elementtien analyysiä (FEA) simuloidaksesi tiivistysrenkaan käyttäytymistä venytyksen ja asennuksen aikana sekä arvioidaksesi luotettavuutta keskeisten lukuarvojen perusteella. Tärkeimmät tarkasteltavat kohdat on esitetty alla.

Huomautus: Nämä luvut ovat teknisiä likiarvoindikaattoreita, eivätkä ne ole suoria vuodon mittaustuloksia.

1. Eri tiloissa esiintyvät vikaantumismuodot

Rakenteen tarkistuksen aikana tarkista ensin, esiintyykö eri koko-yhdistelmien ja kokoonpanotilojen alla ilmeisiä vioitumismuotoja, kuten:

• Tiivisteen reunan romahtaminen

• Kierretyminen tai puristuminen

• Paikallinen puristuma

• Selkeä epänormaali jännityskeskittymä

Tämä vaihe kertoo, onko tiiviste edelleen normaalissa toimintatilassa. Vaikka nimellinen puristussuhde näyttäisi olevan kunnossa, luotettavuus voi silti heikentyä, jos tiivisteen reuna romahtaa tai taittuu äärimmäisessä kokoonpanotilassa.

2. Kontaktipaine ja kontaktipituus LMC-tilassa (vähiten materiaalia sisältävä tila)

Kiinteille tiivisteille LMC (tiivisterenkaan koko toleranssin minimiarvossa, uran välys toleranssin maksimiarvossa) on usein heikoin hetki, koska tämä yhdistelmä saa kontaktipaineen ja kontaktipituuden laskeutumaan helpommin.

Liittimen kentässä kokemus osoittaa, että silikonikumista valmistetun liittimen alustava suunnittelu tulisi tähtätä positiiviseen paineeseen > 500 kPa ja kosketuspituuteen > 0,6 mm. Tämä on viiterearvo, joka mahdollistaa 28 kPa ilmatiukkuuden saavuttamisen 1008 tunnin kuluttua 125 °C:n lämpötilassa (noin vastaava kuin 3 metrin vedenpaine).

Lisähuomautukset:

① Jos tarpeen vaatii, otetaan huomioon myös vastaosien muodonmuutos voiman vaikutuksesta.

② Kosketuspaine ja -pituus ovat makrotasoisia tarkistuksia; mikrotasolla on edelleen harkittava pinnan karkeuden aiheuttamia vuotokanavia.

3. Täyttöaste ja paikallinen jännitys MMC-olosuhteissa (Maximum Material Condition, suurin materiaalimäärä)

MMC-olosuhteissa tiivistysrenkaan ylikompressio on todennäköisempää. Keskitä huomiota seuraaviin seikkoihin:

• Onko poikkileikkauksen täyttöaste liian korkea (täytyy pysyä alle 100 %:n).

• Ylittääkö paikallinen jännitys materiaalin kestämän rajan (täytyy pysyä alle kumin vetolujuuden) ja ilmeneekö puristumisen vaara.

• Onko puristumisvaaraa.

3. Tiivistärenkaiden sääkestävyys

Aiemmassa osassa käsiteltiin tiivisterengasen suorituskykyä uutena, ja FEA-mallinnus voi antaa melko tarkkoja tuloksia tähän.

Mutta kumimateriaalit kärsivät pysyvästä puristusmuodonmuutoksesta, jännityksen relaksaatiosta, lämpöikääntymisestä ja ominaisuuksien heikkenemisestä ajan myötä, joten tiivistysliitos menettää vähitellen alkuperäisen kosketusvoimansa.

Alkuvaiheen tarkastusten läpäiseminen ei tarkoita, että tuote on edelleen luotettava käyttöiän lopussa. Ikääntymistekijöitä on otettava huomioon suunnittelun alusta lähtien.

1. Puristusmuodonmuutoksen määritelmä

Puristusmuodonmuutos on keskeinen mittari, jolla arvioidaan, kuinka hyvin kumi säilyttää kimmoisuutensa pitkäaikaisen puristuksen jälkeen.

Tämä tarkoittaa, että kun tiivisterengasta on puristettu ja ikääntynyt pitkään ja puristus poistetaan, se ei pysty palautumaan täysin alkuperäiseen muotoonsa. Mitä suurempi puristusmuodonmuutos on, sitä huonompi on sen palautumiskyky ja sitä suurempi on riski sille, että tehokas tiivistyskosketus katoaa käyttöiän lopussa.

(Artikkelissa on tässä kohdassa kaavio puristusmuodonmuutoksesta.)

(Artikkelissa esitetään standardi teollisuuden testijärjestelmä tiivisterenkaan puristusmuodonmuutokselle — standardikokoisen kumilohkon sijoittaminen levyjen väliin.)

2. Kuinka puristusmuodonmuutos liittyy paineeseen (puristussuhde), lämpötilaan ja ikääntymisaikaan

Laadullisesti kolme tärkeintä tekijää ovat paine (puristusaste), lämpötila ja aika.

(Artikkelissa esitetään VMQ-silikonikumin puristusmuodonmuutos käyränä puristusasteen funktiona. VMQ-kumille liian pieni tai liian suuri puristus ei ole parhaassa suhteessa pitkäaikaiseen suorituskykyyn.)

(Huomaa: Kun puristus on erittäin kevyt, "prosenttimäinen" puristusmuodonmuutosluku voi näyttää hyvin korkealta.)

(Artikkelissa esitetään puristusmuodonmuutoksen kuvaajia eri lämpötiloissa vanhenemisen jälkeen — korkeampi lämpötila heikentää palautumista.)

(Artikkelissa esitetään eri tiivisteaineiden likimääräinen käyttöikä eri lämpötiloissa — vain viitteellisesti.)

(Artikkelissa esitetään NBR-kumin puristusmuodonmuutos käyränä vanhenemisaikana.)

3. Nopea arviointimenetelmä ikääntymisen jälkeen

Teknillisessä käytännössä voit syöttää ikääntyneen puristusmuodon muutoksen arvon takaisin alkuperäiseen suunnitteluun, jotta voit nopeasti tarkistaa, onko turvamarginaalia riittävästi ja arvioida tiivisteiden pettämisen riskiä käyttöiän päätyessä.

Esimerkki: Jos alkuperäinen suunnittelupuristussuhde on 10 %, mutta 1008 tunnin kuluttua 125 °C:n lämpötilassa puristusmuodon muutos on 17 %, tiiviste todennäköisesti pettää ikääntymisen jälkeen. Sinun tulisi lisätä alkuperäistä puristussuhdetta tai valita paremman puristusmuodon muutoksen suorituskyvyn omaava kumi.

Huomautus: Tätä menetelmää voidaan käyttää nopeisiin tarkistuksiin tai suuntaviivojen arviointiin, mutta sitä ei voida käyttää suoraan lopullisen vuodon nopeuden ennustamiseen.

4. Tämän artikkelin soveltamisala ja tulevat aiheet

Tässä artikkelissa esitetään laadullinen kehys tiivistesuunnittelulle, mutta monet aihepiirit eivät ole vielä käsiteltyjä, kuten pinnankarheuden ja tiivistämisen välinen suhde, alhaisen lämpötilan vaikutus tiivisteen suorituskykyyn, vuodonopeuden määrälliset menetelmät sekä lämpötila-ikääntymismallien rakentaminen.

Viittaukset

[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 ym. Nitrilikummun käyttöiän ennustaminen muuntajavuodassa tapahtuvan puristusjännityksen alaisena [C]//2016:n 5. kansainvälisen mittaus-, mittauslaitteiden ja automaation konferenssin (ICMIA 2016) esitelmien kokoelma. Pariisi: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.