עיצוב מוצר — עיצוב אטם סטטי

הליבה של תכנון החתימה היא להבטיח שבעזרת האפקטים המשולבים של המבנה, הסיבובים, החומרים וגורמים אחרים, המוצר יחסום את כל מסלולי הזרימה לאורך כל זמן שירותו.

אם אתם בודקים את החתימה רק כאשר היא חדשה לגמרי ומעדיפים להתעלם מגורמים כגון סיבובים של טבעת החתימה, סיבובים של החלקים או התנהגות החתימה לאחר גילוי, עלולים להיווצר דליפות בשלב מאוחר יותר. עליכם לקחת בחשבון גורמים אלו כבר בשלב הראשוני של התכנון.

מידע פומבי מחלק חתימות לחתימות סטטיות ולחתימות דינמיות (האם קיים תנועה יחסית בין החתימה לחלקים בזמן פעולתה). הדגש העיצובי שונה מאוד עבור כל אחת מהן. מאמר זה עוסק אך ורק בחתימות סטטיות.

תכולה

1. עקרון החתימה וצורות הכשל

2. תכנון מבנה טבעת החתימה

1. צורות הכשל במצבים שונים

2. לחץ מגע ואורך מגע בתנאי LMC

3. שיעור מילוי והלחצים המקומיים בתנאי MMC

3. עמידות טבעות החתימה לתנאי מזג אוויר

1. הגדרת אחוז ההידרור

2. כיצד קצב הדחיסה קשור ללחץ (קצב דחיסה), לטמפרטורה ולזמן ההזדקנות

3. שיטה מהירה להערכה לאחר הזדקנות

4. היקף המאמר הזה והנושאים העתידיים

1. עקרון החתימה וצורות הכשל

מוצר יוצר איטום מכיוון שהאלסטומר (טבעת האיטום) נדחס אל פני השטח הנוגע ומבлок את מעבר הגז או הנוזל.

מנקודת מבט של נתיב הדליפה, כשל האיטום מתבטא בשני צורות עיקריות:

• דליפת ממשק: מתרחשת בין טבעת האיטום לבין פני השטח הנוגע כאשר ההתאמה אינה מספקת. הנוזל זורם לאורך הממשק או הפתוחה.

• חדירה חומרית: מולקולות גז או נוזל עוברות דרך החומר הגומי או הפלסטי עצמו ברמה המולקולרית.

בהנדסה אמיתית, בדיקת הבועה תחת לחץ חיובי בדרך כלל מגלה בקלות יותר דליפות ממשק גדולות. כשל בבודדנות לאחר טביעה עדיף כדי לקבוע האם המוצר כולו מדליף ברמה המערכתית.

הערה חשובה: תוצאות הבדיקה אינן מודיעות באופן אוטומטי על מנגנון הכשל המדויק. לדוגמה, מוצר עשוי שלא להראות בועות תחת לחץ חיובי, אך להיכשל במבודד תחת לחץ שלילי. עובדה זו אינה מהווה הוכחה לשניית חומר — ייתכן שמדובר בדליפת ממשק, בחסרונות מקומיים באטם החוזק, או במסלול אחר.

2. תכנון מבנה טבעת החתימה

כל המדריכים העשויים לציבור מדגישים כי בעת תכנון אטם חיזוק יש לבחון יחדיו את כמות הדחיסה, את מלאי החריץ, את מצב ההמתיחה/ההתקנה, את גימור המשטח ואת הסיבובים המותרים. דחיסה נמוכה מדי פירושה מגע לקוי; דחיסה גבוהה מדי עלולה להאיץ את ההתעקלות הקבועה, להגביר את כוח ההרכבה, או לגרום לפגמים מקומיים.

עבור תכנון הנדסי, ניתן להשתמש בניתוח אלמנטים סופיים (FEA) כדי לדמות את אטם החיזוק תחת מתיחה, התקנה וכו', ולערוך שיפוט אמינות על סמך מספרים קריטיים. פריטי הביקורת החשובים מופיעים להלן.

הערה: המספרים הללו הם מדדים הנדסיים עקיפים, ולא מדידות ישירות של הדליפה עצמה.

1. צורות הכשל במצבים שונים

במהלך ביקורת על המבנה, בדוק תחילה אם מצבי כשל ברורים מופיעים תחת שילובים גודלים שונים ומצבים של הרכבה, כגון:

• קריסת שפתיים של חותם

• קפצוף או חטיפה

• חץ מקומי

• ריכוז לחץ בלתי רגיל

שלב זה אומר לך אם החותם עדיין במצב עבודה נורמלי. אפילו אם קצב הלחיצה הנמוצע נראה בסדר, אם שפם החותם מתמוטט או מתכופף תחת הרכבה קיצונית, מהימנות עדיין יכולה לרדת.

2. משרד החוץ לחץ מגע וארך מגע תחת LMC (מצב חומר מינימלי)

עבור חותמות סטטיות, LMC (גודל טבעת חותמת בטיפול מינימלי, פער חור בטיפול מקסימלי) הוא לעתים קרובות הרגע החלש ביותר, כי השילוב גורם ללחץ מגע ולרוחב מגע לרדת בקלות רבה יותר.

בשדה המחבר, ניסיון מראה שבעיצוב הראשוני של גומי סיליקון יש לכוון ללחץ חיובי >500 קילו-パスקל ואורך מגע >0.6 מ"מ. זהו ערך ייחוס שיכול לעמוד בצמיגות אוויר של 28 קילו-パスקל לאחר 1008 שעות בטמפרטורה של 125° צלזיוס (שווה בערך לעומק מים של 3 מטרים).

הערות נוספות:

① אם נדרש, יש גם לקחת בחשבון את הפעולה של עיוות החלקים הנפגשים תחת כוח.

② לחץ המגע ואורכו הם בדיקות ברמה המקרוסקופית; ברמה המיקרוסקופית יש עדיין צורך לחשוב על ערוצים לтеחצית שנוצרים עקב רמת הקשקוש של המשטח.

3. שיעור מילוי והמתח המקומי בתנאי MMC (תנאי החומר המרבי)

בתנאי MMC טבעת החסימה סובלת יותר מסיכון לדחיסה יתר. יש להתמקד בנקודות הבאות:

• האם שיעור המילוי של החתך הרוחבי גבוה מדי (חייב להישאר מתחת ל-100%).

• האם המתח המקומי עולה על היכולת של החומר לספוג אותו (חייב להישאר מתחת לעוצמת המשיכה של הגומי) ומעורר סיכון לעיוות או דחיסה.

• האם קיים סיכון להשתלבות (Extrusion).

3. עמידות טבעות החתימה לתנאי מזג אוויר

החלק המוקדם דן בביצועי טבעת החסימה במצבה החדש, וניתוח FEA יכול לספק תוצאות די מדויקות למצב זה.

אך חומרים גומיים סובלים מסטת דחיסה קבועה, ניחות מתח, גילוי תרמי וירידה בתכונותיהם עם הזמן, ולכן INTERFACE החסימה מאבד בהדרגה את כוח ההשקה המקורי שלו.

מעבר בבדיקות הראשוניות אינו מבטיח שהמוצר יישאר אמין בסוף תקופת חייו. עליכם לקחת בחשבון את גורמי הגילוי כבר בשלב התכנון הראשוני.

1. הגדרת אחוז ההידרור

סטת הדחיסה היא מדד מפתח להערכת היכולת של הגומי לשמור על אלסטיותו לאחר דחיסה ממושכת.

זה אומר שאחרי שטבעת החסימה נדחסה וגברה עליה זמן רב, כאשר מוסרים את הלחץ היא אינה חוזרת לחלוטין לצורתה המקורית. ככל שסטת הדחיסה גדולה יותר, כך היכולת לשחזר קטנה יותר והסיכון לאיבוד מגע חסימה אפקטיבי בסוף תקופת החיים עולה.

(המאמר מציג כאן תרשים של סטת דחיסה.)

(המאמר מציג את תבנית הבדיקה הסטנדרטית לתעשייה למדידת ערך הדחיסה של טבעות איטום — בלוק גומי בגודל סטנדרטי המוצב בין לוחות.)

2. כיצד קצב הדחיסה קשור ללחץ (קצב דחיסה), לטמפרטורה ולזמן ההזדקנות

באופן איכותני, שלושת הגורמים העיקריים הם לחץ (שיעור הדחיסה), טמפרטורה וזמן.

(המאמר מציג גרף של ערך הדחיסה של גומי סיליקון VMQ כתלות בשיעור הדחיסה. עבור VMQ, דחיסה קטנה מדי או גדולה מדי אינה האופציה הטובה ביותר לביצוע ארוך טווח.)

(הערה: כאשר הדחיסה קלה מאוד, ערך אחוז ערך הדחיסה עלול להיראות גבוה מאוד.)

(המאמר מציג גרפים של ערך הדחיסה לאחר גילוי בטמפרטורות שונות — טמפרטורה גבוהה יותר מפילה את היכולת להתאושש.)

(המאמר מציג את משך החיים המשוער של חומרים שונים לטבעות איטום בטמפרטורות שונות — לצורך הפניה בלבד.)

(המאמר מציג גרף של ערך הדחיסה של גומי NBR כתלות בזמן הגילוי.)

3. שיטה מהירה להערכה לאחר הזדקנות

בעריכת הנדסית, ניתן להכניס את ערך קצב הדחיסה המבוגר חזרה לתכנון הראשוני כדי לבדוק במהרה האם יש מספיק שולי בטחון ולערוך הערכה של סיכון הכשל בסוף תקופת החיים.

לדוגמה: אם קצב הדחיסה בתכנון הראשוני הוא 10%, אך לאחר 1008 שעות ב-125°‏C ערך קצב הדחיסה הופך ל-17%, אז לאחר הגילוי הסגירה כנראה תיכשל. עליכם להגביר את קצב הדחיסה הראשוני או לבחור בגומי בעל ביצועי דחיסה טובים יותר.

הערה: שיטה זו מתאימה לבדיקות מהירות או להערכה של מגמות, אך אינה מתאימה לחיזוי ישיר של קצב הדליפה הסופי.

4. היקף המאמר הזה והנושאים העתידיים

מאמר זה מציג מסגרת איכותנית לתכנון סגירות, אך נושאים רבים עדיין לא נכללים בו, כגון הקשר בין גודל השטח החשוף לקשיחות והסגירה, השפעת הטמפרטורה הנמוכה על ביצועי הסגירה, שיטות כמותיות לחישוב קצב הדליפה, ובניית מודלים מתמטיים להתאמת התנהגות הסגירה כתלות בטמפרטורה והזדקנות.

מراجع

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

[2] ציאן י. ה., שיאו ה. ז., ני מ. ה., ואחרים. חיזוי תקופת חיים של גומי אקרילונייטריל תחת מתח דחיסה בשמן טרנספורמטור [C]//Proceedings of the 2016 5th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation (ICMIA 2016). פריז: אטלנטיס פרס, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.