Produktutforming — Utforming av statisk tetning

Kjernen i tettningsdesign er å sikre at produktet, gjennom kombinerte effekter av konstruksjon, toleranser, materialer og andre faktorer, blokkerer alle lekkasjepath gjennom hele sin levetid.

Hvis du bare kontrollerer tetningen når den er helt ny og ignorerer faktorer som toleranser for tettringer, deltoleranser eller hvordan tetningen oppfører seg etter aldring, kan det lett oppstå lekkasjer senere. Du må ta hensyn til disse faktorene allerede fra starten av designprosessen.

Offentlig informasjon deler inn tetninger i statiske tetninger og dynamiske tetninger (avhengig av om det er relativ bevegelse mellom tetningen og delene under drift). Fokusområdene for design er svært ulike for hver type. Denne artikkelen handler kun om statiske tetninger.

Innhold

1. Tettningsprinsipp og feilmodi

2. Konstruksjonsdesign for tettringer

1. Feilmodi i ulike tilstander

2. Kontakttrykk og kontaktlengde ved LMC

3. Fyllingsgrad og lokal spenning ved MMC

3. Værbestandighet til tettringer

1. Definisjon av kompresjonssett

2. Hvordan kompresjonssettet henger sammen med trykk (kompresjonsrate), temperatur og aldringstid

3. Hurtig vurderingsmetode etter aldring

4. Omfang av denne artikkelen og fremtidige temaer

1. Tettningsprinsipp og feilmodi

Et produkt danner en tetning fordi elastomeren (tettningsringen) presses mot kontaktoverflaten og hindrer gass eller væske i å passere gjennom.

Fra lekkasjepathens synsvinkel har tetningsfeil to hovedformer:

• Grenseflatelekkasje: Skjer mellom tettningsringen og kontaktoverflaten når passformen ikke er god nok. Væsken strømmer langs grenseflaten eller sprekken.

• Materialgjennomtrengning: Gass- eller væskemolekyler passerer gjennom selve gummi- eller plastmaterialet på molekylært nivå.

I virkelige ingeniørapplikasjoner oppdager vanligvis bobletesten under positivt trykk store grenseflatelekkasjer lettere. Isolasjonsfeil etter opptrengning er bedre egnet til å vurdere om hele produktet lekker på systemnivå.

Viktig merknad: Testresultater forteller deg ikke automatisk den nøyaktige feilmekanismen. For eksempel kan et produkt vise ingen bobler under positivt trykk, men likevel mislykkes med isolasjon under negativt trykk. Dette beviser ikke at det er materiellpermeasjon — det kan fortsatt være en lekkasje ved grensesnittet, lokale mangler i tettningsringen eller en annen lekkasjepath.

2. Konstruksjonsdesign for tettringer

Offentlige designveiledninger understreker alle at når du designer en tettningsring, må du vurdere sammenpressingsmengde, sporet fylling, strekk/monteringsstatus, overflatefinish og toleranser som en helhet. For lite sammenpressing betyr dårlig kontakt; for mye sammenpressing kan akselerere permanent deformasjon, gjøre monteringskraften for høy eller føre til lokal skade.

For ingeniørmessig design kan du bruke endelige elementanalyse (FEA) til å simulere tettningsringen under strekk, montering osv., og vurdere påliteligheten ut fra nøkkeltall. De viktigste vurderingspunktene er nedenfor.

Merk: Disse tallene er ingeniørmessige indirekte indikatorer, ikke direkte målinger av lekkasje selv.

1. Feilmodi i ulike tilstander

Under strukturvurdering, sjekk først om åpenbare sviktmodi oppstår ved ulike størrelseskombinasjoner og monteringsforhold, for eksempel:

• Kollaps av tetningslepp

• Krølling eller kneiping

• Lokal ekstrusjon

• Tydelig unormal spenningskonsentrasjon

Denne trinnet forteller deg om tetningen fortsatt er i normal driftsforhold. Selv om den nominelle kompresjonsraten ser bra ut, kan påliteligheten likevel reduseres hvis tetningsleppen kollapser eller brettes sammen under ekstrem montering.

2. Kontakttrykk og kontaktlengde ved LMC (minste materialebetingerelse)

For statiske tetninger er LMC (tetningsringens størrelse ved minste toleranseverdi, spaltens bredde i sporet ved største toleranseverdi) ofte det svakeste punktet, fordi denne kombinasjonen lettere fører til reduksjon av kontakttrykk og kontaktlengde.

I tilkoblingsfeltet viser erfaringen at den innledende konstruksjonen for silikongummi bør sikte mot et positivt trykk >500 kPa og en kontaktlengde >0,6 mm. Dette er en referanseverdi som kan oppnå lufttetthet på 28 kPa etter 1008 timer ved 125 °C (tilsvarende ca. 3 meter vannsøyle).

Ekstra notater:

① Hvis nødvendig, må også deformasjon av de sammenkoblede delene under påvirkning av kraft tas i betraktning.

② Kontakttrykk og kontaktlengde er sjekker på makronivå; på mikronivå må man fortsatt vurdere lekkasjekanaler som dannes av overflateruhet.

3. Fyllingsgrad og lokal spenning under MMC (maksimal materielltilstand)

Under MMC er det mer sannsynlig at tettningsringen blir overkomprimert. Fokuser på:

• Om tverrsnittsfyllingsgraden er for høy (må forbli under 100 %).

• Om lokal spenning overstiger det materialet kan tåle (må forbli under gummiets bruddstyrke) og viser en tendens til knusing.

• Om det er risiko for ekstrusjon.

3. Værbestandighet til tettringer

Den første delen dekket tettringens ytelse når den var ny, og FEA kan gi ganske nøyaktige resultater for dette.

Men gummimaterialer utsettes for permanent kompresjonssett, spenningsavslapping, termisk aldrende og egenskapsnedgang over tid, så tettningsskjøtet mister gradvis sin opprinnelige kontaktkraft.

Å bestå innledende tester betyr ikke at den fortsatt vil være pålitelig ved levetidens slutt. Du må ta hensyn til aldrende-faktorer fra designets start.

1. Definisjon av kompresjonssett

Kompresjonssett er en nøkkelindikator for å vurdere hvor godt gummiet beholder sin elastisitet etter langvarig kompresjon.

Det betyr at etter at tettringen har vært komprimert og aldret i lang tid, vil den ved fjerning av trykket ikke fullt ut kunne spenne tilbake til sin opprinnelige form. Jo større kompresjonssettet er, jo dårligere er gjenopprettings-evnen og jo høyere er risikoen for å miste effektiv tetting ved levetidens slutt.

(Artikkelen viser her en diagram over kompresjonssett.)

(Artikkelen viser standardindustriell testutstyr for kompresjonssett for tettningsring — en standardstørrelse gummiblokk plassert mellom plater.)

2. Hvordan kompresjonssettet henger sammen med trykk (kompresjonsrate), temperatur og aldringstid

Kvalitativt er de tre viktigste faktorene trykk (kompresjonsrate), temperatur og tid.

(Artikkelen viser en graf over kompresjonssett for VMQ-silikongummi i forhold til kompresjonsrate. For VMQ gir for liten eller for stor kompresjon ikke best langsiktig ytelse.)

(Merk: Når kompresjonen er svært lett, kan «prosent»-verdien for kompresjonssett se svært høy ut.)

(Artikkelen viser grafer over kompresjonssett etter lagring ved ulike temperaturer — høyere temperatur gjør gjenoppretting dårligere.)

(Artikkelen viser omtrentlig levetid for ulike tettningsmaterialer ved ulike temperaturer — kun som referanse.)

(Artikkelen viser en graf over kompresjonssett for NBR-gummi i forhold til lagringstid.)

3. Hurtig vurderingsmetode etter aldring

I ingeniørpraksis kan du sette inn den aldrende kompresjonssettverdien i det opprinnelige designet for å raskt sjekke om du har tilstrekkelig margin og vurdere feilrisikoen ved levetidens slutt.

Eksempel: Hvis den opprinnelige kompresjonsraten i designet er 10 %, men etter 1008 timer ved 125 °C blir kompresjonssettet 17 %, så vil tetningen sannsynligvis svikte etter aldring. Du bør øke den opprinnelige kompresjonsraten eller velge en gummitype med bedre kompresjonssett-egenskaper.

Merk: Denne metoden er egnet for rask sjekk eller trendvurdering, ikke for direkte prediksjon av endelig lekkasjerate.

4. Omfang av denne artikkelen og fremtidige temaer

Denne artikkelen gir en kvalitativ ramme for tetningsdesign, men mange emner er foreløpig ikke dekket, for eksempel forholdet mellom overflategrovhetsnivå og tetningsevne, effekten av lav temperatur på tetningsevnen, kvantitative metoder for lekkasjerate og utvikling av temperatur-aldringsfittingsmodeller.

Referanser

[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. Levetidsforutsigelse for nitrilgummi under trykkspenning i transformatorolje[C]//Proceedings of the 2016 5th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation (ICMIA 2016). Paris: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.