Terméktervezés — Statikus tömítés tervezése

A tömítéstervezés lényege az, hogy a szerkezet, a tűrések, az anyagok és egyéb tényezők együttes hatásával biztosítsák: a termék az egész élettartama során elzárja az összes szivárgási útvonalat.

Ha csak az új tömítést ellenőrzi, és figyelmen kívül hagyja például a tömítőgyűrű tűréseit, a alkatrészek tűréseit vagy a tömítés viselkedését az öregedés után, akkor később könnyen szivárgás léphet fel. Ezeket a tényezőket már a tervezés kezdetétől fogva figyelembe kell venni.

A nyilvános információk a tömítéseket statikus és dinamikus tömítésekre osztják (attól függően, hogy működés közben relatív mozgás van-e a tömítés és az alkatrészek között). A tervezési hangsúly mindkét esetben nagyon eltérő. Ez a cikk kizárólag a statikus tömítésekről szól.

Tartalom

1. Tömítési elv és meghibásodási módok

2. Tömítőgyűrű szerkezeti tervezése

1. Különböző állapotokban fellépő meghibásodási módok

2. LMC esetén érvényes érintkezési nyomás és érintkezési hossz

3. MMC esetén érvényes kitöltési arány és helyi feszültség

3. A tömítőgyűrűk időjárásállósága

1. Nyomásalakváltozás definíciója

2. A nyomás (összenyomási arány), a hőmérséklet és az öregedési idő kapcsolata a nyomásállósággal

3. Gyors értékelési módszer az öregedés után

4. E cikk hatóköre és jövőbeni témák

1. Tömítési elv és meghibásodási módok

Egy termék tömítést biztosít, mert az elasztomer (tömítőgyűrű) a kontaktfelületre van nyomva, és megakadályozza a gáz vagy folyadék átjutását.

A szivárgási útvonal szempontjából a tömítés meghibásodásának két fő formája van:

• Felületi szivárgás: Akkor következik be, amikor a tömítőgyűrű és a kontaktfelület között nem megfelelő az illeszkedés. A folyadék a felület mentén vagy a résen keresztül áramlik.

• Anyagáteresztés: A gáz- vagy folyadékmolekulák molekuláris szinten átjutnak a gumiból vagy műanyagból készült anyagon.

A gyakorlati mérnöki alkalmazásokban a pozitív nyomású buborékteszt általában könnyebben észleli a nagyobb felületi szivárgásokat. Az áztatás utáni szigetelési hibák értékelése jobban alkalmas arra, hogy megítélje, a teljes termék rendszer-szinten szivárog-e.

Fontos megjegyzés: A teszteredmények nem jelzik automatikusan a pontos hibamechanizmust. Például egy termék pozitív nyomás alatt esetleg nem mutat buborékokat, de negatív nyomás alatt megszakadhat a szigetelése. Ez nem bizonyítja, hogy anyagáteresztésről van szó – továbbra is lehet interfész-szivárgás, a tömítőgyűrű helyi hiányossága vagy más szivárgási útvonal.

2. Tömítőgyűrű szerkezeti tervezése

A nyilvános tervezési útmutatók mind hangsúlyozzák, hogy a tömítőgyűrű tervezésekor együttesen kell figyelembe venni a kompresszió mértékét, a hornyot kitöltő anyag mennyiségét, a nyújtás/felszerelés állapotát, a felületi minőséget és a tűréseket. Túl kis kompresszió rossz érintkezést eredményez; túl nagy kompresszió gyorsíthatja az állandó deformációt, túl magas összeszerelési erőt eredményezhet, vagy helyi károsodást okozhat.

Mérnöki tervezési célokra véges elemes analízissel (FEA) szimulálható a tömítőgyűrű nyújtás, felszerelés stb. hatására, és kulcsfontosságú számértékek alapján ítélhető meg a megbízhatósága. Az alábbiakban a fontos ellenőrzési tételek szerepelnek.

Megjegyzés: Ezek a számértékek mérnöki helyettesítő mutatók, nem közvetlen mérések a szivárgás mértékéről.

1. Különböző állapotokban fellépő meghibásodási módok

A szerkezet átvizsgálása során először ellenőrizze, hogy nyilvánvaló hibamódok jelennek-e meg különböző méretkombinációk és szerelési állapotok mellett, például:

• Tömítőperem összeomlása

• Gördülés vagy összenyomódás

• Helyi kifolyás

• Egyértelmű, rendellenes feszültségkoncentráció

Ez a lépés azt mutatja meg, hogy a tömítés továbbra is normál működési állapotban van-e. Még ha a névleges összenyomási arány megfelelőnek is tűnik, a tömítőperem összeomlása vagy behajlása extrém szerelési körülmények között továbbra is csökkentheti a megbízhatóságot.

2. Érintési nyomás és érintési hossz LMC (legkevesebb anyagállapot) esetén

Statikus tömítéseknél az LMC (a tömítőgyűrű mérete a tűréshatár minimumán, a horpadás szélessége a tűréshatár maximumán) gyakran a leggyengébb pillanat, mivel ez a kombináció könnyebben csökkenti az érintési nyomást és az érintési hosszt.

A csatlakozó mezőben a tapasztalat azt mutatja, hogy szilikon gumiból készült alkatrészek esetében a kezdeti tervezésnél pozitív nyomásra >500 kPa és érintkezési hosszra >0,6 mm kell törekedni. Ez egy referenciaérték, amely biztosítja a 28 kPa levegőszorosítást 1008 órán keresztül 125 °C-on (kb. 3 m vízmélységnek megfelelően).

További megjegyzések:

① Ha szükséges, vegye figyelembe a párosított alkatrészek erőhatás alatti deformációját is.

② Az érintkezési nyomás és hossz makroszintű ellenőrzési paraméterek; mikroszinten továbbra is figyelni kell a felületi érdesség által kialakított szivárgási csatornákra.

3. Töltési arány és helyi feszültség MMC (legnagyobb anyagmennyiség) feltétel mellett

MMC feltétel mellett a tömítőgyűrű túlkompresszióra hajlamosabb. Figyeljen a következőkre:

• A keresztmetszeti töltési arány túl magas-e (100 %- alatt kell maradnia).

• A helyi feszültség meghaladja-e az anyag által elviselhető értéket (a gumi szakítószilárdsága alatt kell maradnia), illetve nyomódási hajlamot mutat-e.

• Fennáll-e extrúziós kockázat.

3. A tömítőgyűrűk időjárásállósága

Az első rész a tömítőgyűrű új állapotában mutatott teljesítményét tárgyalta, és az FEA ebben az esetben meglehetősen pontos eredményeket adhat.

A gumimaterialok azonban idővel maradó nyomásdeformációt (kompressziós deformációt), feszültségrelaxációt, hőös öregedést és tulajdonságromlást szenvednek, ezért a tömítési felület fokozatosan elveszíti eredeti érintkezési erejét.

Az első ellenőrzések sikeres átmenete nem jelenti azt, hogy a termék élettartamának végén is megbízható marad. Az öregedési tényezőket már a tervezés kezdetétől figyelembe kell venni.

1. Nyomásalakváltozás definíciója

A kompressziós deformáció (kompressziós set) egy kulcsfontosságú mutató a gumimaterialok hosszú ideig tartó nyomás alatt megőrzött rugalmasságának értékeléséhez.

Ez azt jelenti, hogy miután a tömítőgyűrűt hosszú ideig nyomás alatt tartották és öregedett, a nyomás eltávolítása után nem tud teljesen visszanyerni eredeti alakját. Minél nagyobb a kompressziós deformáció, annál rosszabb a visszaállási képesség, és annál nagyobb a kockázata, hogy élettartamának végén elveszíti a hatékony tömítési érintkezést.

(A cikk e helyen egy kompressziós deformációt bemutató ábrát tartalmaz.)

(A cikk a tömítőgyűrű nyomásállóságának szabványos ipari vizsgálati berendezését mutatja be — egy szabványos méretű gumiblokk lemezek közé helyezve.)

2. A nyomás (összenyomási arány), a hőmérséklet és az öregedési idő kapcsolata a nyomásállósággal

Minőségileg a három fő tényező a nyomás (összenyomási arány), a hőmérséklet és az idő.

(A cikk egy grafikont mutat a VMQ szilikonkaučuk nyomásállóságáról az összenyomási arány függvényében. A VMQ esetében a túl alacsony vagy túl magas összenyomás nem optimális a hosszú távú teljesítmény szempontjából.)

(Megjegyzés: Amikor az összenyomás nagyon enyhe, a „százalékos” nyomásállósági érték nagyon magasnak tűnhet.)

(A cikk grafikonokat mutat a nyomásállóságról különböző hőmérsékleteken történő öregedés után — a magasabb hőmérséklet rosszabb visszaállást eredményez.)

(A cikk különböző tömítőanyagok kb. szolgálati idejét mutatja különböző hőmérsékleteken — csak tájékoztató jelleggel.)

(A cikk egy grafikont mutat az NBR gumi nyomásállóságáról az öregedési idő függvényében.)

3. Gyors értékelési módszer az öregedés után

Műszaki gyakorlatban az öregedés utáni nyomásvesztés értékét vissza lehet helyettesíteni az eredeti tervezésbe, hogy gyorsan ellenőrizhető legyen, elegendő-e a biztonsági tartalék, és megítélhető legyen a meghibásodás kockázata az élettartam végén.

Példa: Ha az eredeti tervezési nyomáscsökkenés 10%, de 125 °C-on 1008 órás öregedés után a nyomásvesztés 17%-ra nő, akkor az tömítés öregedés után nagy valószínűséggel meghibásodik. Növelni kellene az eredeti nyomáscsökkenést, vagy olyan gumit kell választani, amely jobb nyomásvesztési tulajdonsággal rendelkezik.

Megjegyzés: Ez a módszer alkalmas gyors ellenőrzésre vagy irányváltozások megítélésére, de nem alkalmas a végső szivárgási ráta közvetlen előrejelzésére.

4. E cikk hatóköre és jövőbeni témák

Ez a cikk egy minőségi keretrendszert ad a tömítések tervezéséhez, de számos témát még nem tárgyal, például a felületi érdesség és a tömítés közötti kapcsolatot, az alacsony hőmérséklet hatását a tömítés teljesítményére, a szivárgási ráta mennyiségi meghatározásának módszereit, valamint a hőmérséklet–öregedés illesztési modellek felépítését.

Hivatkozások

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

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H és társai. A nitril-gumi élettartam-előrejelzése nyomófeszültség alatt transzformátorolajban [C] // A 2016. évi 5. Nemzetközi Mérési, Műszerek és Automatizálási Konferencia (ICMIA 2016) előadásainak gyűjteménye. Párizs: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.