Productontwerp — Ontwerp van statische afdichting

De kern van het ontwerp van een afdichting is ervoor te zorgen dat, door de gecombineerde invloed van constructie, toleranties, materialen en andere factoren, het product gedurende de gehele levensduur alle lekpaden blokkeert.

Als u de afdichting alleen controleert wanneer deze gloednieuw is en factoren zoals de toleranties van de afdichtingsring, de toleranties van onderdelen of het gedrag van de afdichting na veroudering negeert, kunt u gemakkelijk later lekkages krijgen. U moet deze factoren vanaf het begin van het ontwerpproces in overweging nemen.

Openbare informatie verdeelt afdichtingen in statische afdichtingen en dynamische afdichtingen (of er relatieve beweging is tussen de afdichting en de onderdelen tijdens het functioneren). Het ontwerpgerichte accent verschilt sterk per type. Dit artikel behandelt uitsluitend statische afdichtingen.

Inhoud

1. Afdichtingsprincipe en foutmodi

2. Constructieontwerp van afdichtingsringen

1. Foutmodi in verschillende toestanden

2. Contactdruk en contactlengte bij LMC

3. Vulkgraad en lokale spanning bij MMC

3. Weerstandsvermogen van afdichtingsringen tegen weersinvloeden

1. Definitie van compressie-inkrimping

2. Hoe de compressievorming verband houdt met druk (compressiepercentage), temperatuur en verouderingstijd

3. Snelle beoordelingsmethode na veroudering

4. Onderwerp van dit artikel en toekomstige onderwerpen

1. Afdichtingsprincipe en foutmodi

Een product vormt een afdichting doordat het elastomeer (afdichtingsring) tegen het contactoppervlak wordt geperst en gas of vloeistof het passeren belet.

Vanuit het oogpunt van het lekpad kent afdichtingsfalen twee hoofdvormen:

• Interfacelek: treedt op tussen de afdichtingsring en het contactoppervlak wanneer de pasvorm onvoldoende is. Vloeistof stroomt langs de interface of door de spleet.

• Materiaaldoorlatendheid: gas- of vloeistofmoleculen dringen op moleculair niveau door het rubber- of kunststofmateriaal zelf heen.

In de praktijk van technische toepassingen wordt met de positief-druk-bubbeltest meestal grotere interfacelekkages gemakkelijker opgemerkt. Isolatiefouten na onderdompeling zijn beter geschikt om te beoordelen of het gehele product op systeemniveau lekt.

Belangrijke opmerking: Testresultaten geven u niet automatisch de exacte oorzaak van het falen aan. Bijvoorbeeld: een product kan onder positieve druk geen belletjes vertonen, maar wel falen op isolatie onder negatieve druk. Dit bewijst niet dat het om materiaalpermeatie gaat — het kan nog steeds om een lek aan de interface, lokale gebreken in de afdichtingsring of een ander lekpad gaan.

2. Constructieontwerp van afdichtingsringen

Openbare ontwerprichtlijnen benadrukken allemaal dat bij het ontwerpen van een afdichtingsring compressiehoeveelheid, groefvulling, rek/montagestatus, oppervlakteafwerking en toleranties gezamenlijk moeten worden beoordeeld. Te weinig compressie betekent slecht contact; te veel compressie kan permanente vervorming versnellen, de montagekracht te hoog maken of lokaal beschadiging veroorzaken.

Voor technisch ontwerp kunt u eindige-elementanalyse (FEA) gebruiken om de afdichtingsring onder rek, montage, enz. te simuleren en de betrouwbaarheid te beoordelen aan de hand van belangrijke parameters. De belangrijkste controlepunten staan hieronder.

Opmerking: Deze waarden zijn technische indicatoren, geen directe metingen van lekkage zelf.

1. Foutmodi in verschillende toestanden

Tijdens het structuuronderzoek controleert u eerst of duidelijke foutmodi optreden bij verschillende afmetingscombinaties en montagestanden, zoals:

• Instorting van de afdichtlip

• Opkrullen of knijpen

• Lokaal uitdrukken

• Duidelijke abnormale spanningconcentratie

Deze stap geeft aan of de afdichting nog steeds in normale werkomstandigheden verkeert. Zelfs als het nominale compressiepercentage acceptabel lijkt, kan de betrouwbaarheid nog steeds dalen wanneer de afdichtlip instort of vouwt tijdens extreme montage.

2. Contactdruk en contactlengte onder LMC (Least Material Condition)

Bij statische afdichtingen is LMC (afmeting van de afdichtring op tolerantiemaximum, speling van de groef op tolerantiemaximum) vaak het zwakste moment, omdat deze combinatie een gemakkelijkere daling van de contactdruk en contactlengte veroorzaakt.

In het aansluitveld laat de ervaring zien dat het initiële ontwerp voor siliconenrubber gericht moet zijn op een positieve druk van >500 kPa en een contactlengte van >0,6 mm. Dit is een referentiewaarde die voldoet aan een luchtdichtheid van 28 kPa na 1008 uur bij 125 °C (ongeveer gelijk aan een waterdiepte van 3 m).

Extra opmerkingen:

① Indien nodig, dient ook de vervorming van de tegenkant onder belasting in overweging te worden genomen.

② Contactdruk en -lengte zijn controles op macro-niveau; op micro-niveau dient u nog steeds rekening te houden met lekkagekanalen die worden gevormd door oppervlakteruwheid.

3. Vulgraad en lokale spanning onder MMC (Maximum Material Condition)

Onder MMC is de afdichtingsring eerder geneigd tot overcompressie. Let op:

• Of de vulgraad van de doorsnede te hoog is (moet onder de 100 % blijven).

• Of de lokale spanning hoger is dan wat het materiaal aankan (moet onder de treksterkte van de rubber blijven) en een neiging tot instorting vertoont.

• Of er risico is op extrusie.

3. Weerstandsvermogen van afdichtingsringen tegen weersinvloeden

Het eerste deel behandelde de prestaties van de afdichtingsring bij nieuw gebruik, en FEA kan daarvoor vrij nauwkeurige resultaten opleveren.

Maar rubbermaterialen ondergaan permanente compressie-instelling, spanningsrelaxatie, thermische veroudering en een daling van hun eigenschappen in de tijd, waardoor de afdichtingsinterface geleidelijk haar oorspronkelijke contactkracht verliest.

Het slagen van de initiële tests betekent niet dat de afdichting nog steeds betrouwbaar zal zijn aan het einde van de levensduur. U moet reeds vanaf het begin van het ontwerp rekening houden met verouderingsfactoren.

1. Definitie van compressie-inkrimping

Compressie-instelling is een belangrijke parameter om te beoordelen hoe goed rubber zijn elasticiteit behoudt na langdurige compressie.

Dit betekent dat de afdichtingsring, nadat deze langdurig is gecomprimeerd en verouderd, bij verwijdering van de druk niet volledig terugveert naar zijn oorspronkelijke vorm. Hoe groter de compressie-instelling, des te slechter de herstelcapaciteit en des te hoger het risico op verlies van effectief afdichtend contact aan het einde van de levensduur.

(In het artikel staat hier een diagram van compressie-instelling.)

(Het artikel toont de standaard industriële testopstelling voor de compressievormverandering van afdichtingsringen — een rubberblok van standaardafmeting geplaatst tussen platen.)

2. Hoe de compressievorming verband houdt met druk (compressiepercentage), temperatuur en verouderingstijd

Kwalitatief gezien zijn de drie belangrijkste factoren druk (compressiesnelheid), temperatuur en tijd.

(Het artikel toont een grafiek van de compressievormverandering van VMQ-siliconenrubber in functie van de compressiesnelheid. Voor VMQ is zowel te weinig als te veel compressie niet ideaal voor langdurige prestaties.)

(Let op: wanneer de compressie zeer licht is, kan het percentage compressievormverandering zeer hoog lijken.)

(Het artikel toont grafieken van de compressievormverandering na veroudering bij verschillende temperaturen — hogere temperatuur leidt tot slechtere herstelcapaciteit.)

(Het artikel toont de geschatte levensduur van verschillende afdichtingsmaterialen bij diverse temperaturen — uitsluitend ter informatie.)

(Het artikel toont een grafiek van de compressievormverandering van NBR-rubber in functie van de verouderingstijd.)

3. Snelle beoordelingsmethode na veroudering

In de technische praktijk kunt u de verouderde waarde van de compressievervorming weer in het oorspronkelijke ontwerp invullen om snel te controleren of u voldoende marge hebt en het risico op storing aan het einde van de levensduur in te schatten.

Voorbeeld: Als de initiële ontwerpspanningsgraad 10% bedraagt, maar na 1008 uur bij 125 °C de compressievervorming 17% wordt, dan is het zeer waarschijnlijk dat de afdichting na veroudering zal falen. U dient de initiële spanningsgraad te verhogen of een rubber met betere prestaties op het gebied van compressievervorming te kiezen.

Opmerking: Deze methode is geschikt voor snelle controles of trendbeoordelingen, maar niet voor directe voorspelling van de uiteindelijke lekrate.

4. Onderwerp van dit artikel en toekomstige onderwerpen

Dit artikel biedt een kwalitatief kader voor afdichtontwerp, maar veel onderwerpen zijn nog niet behandeld, zoals de relatie tussen oppervlakteruwheid en afdichting, het effect van lage temperatuur op afdichtprestaties, kwantitatieve methoden voor lekrate en het opstellen van temperatuur-verouderingsaanpassingsmodellen.

Referenties

[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. Levensduurvoorspelling van nitrilrubber onder compressiespanning in transformatorolie[C]//Proceedings van de 2016 5e Internationale Conferentie over Meting, Instrumentatie en Automatisering (ICMIA 2016). Parijs: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.