Projekt produktu — projekt uszczelki statycznej

Podstawą projektowania uszczelki jest zapewnienie, że dzięki połączeniu wpływu konstrukcji, tolerancji, materiałów oraz innych czynników produkt blokuje wszystkie ścieżki przecieku przez cały okres swojej eksploatacji.

Jeśli sprawdzisz uszczelkę wyłącznie w nowym stanie i zignorujesz takie czynniki jak tolerancje pierścienia uszczelniającego, tolerancje części lub zmiany właściwości uszczelki po starzeniu się, łatwo może dojść do przecieków w późniejszym czasie. Należy uwzględnić te czynniki już na etapie początkowego projektowania.

Informacje publiczne dzielą uszczelki na uszczelki statyczne i uszczelki dynamiczne (czy występuje ruch względny między uszczelką a częściami podczas jej pracy). Zasady projektowania różnią się znacznie w obu przypadkach. Niniejszy artykuł dotyczy wyłącznie uszczelek statycznych.

Zawartość

1. Zasada działania uszczelki oraz tryby uszkodzenia

2. Projektowanie konstrukcji pierścienia uszczelniającego

1. Tryby uszkodzenia w różnych stanach

2. Ciśnienie kontaktowe i długość strefy kontaktu przy najmniejszej możliwej wartości wymiaru (LMC)

3. Współczynnik wypełnienia i naprężenia lokalne przy największej możliwej wartości wymiaru (MMC)

3. Odporność pierścieni uszczelniających na warunki atmosferyczne

1. Definicja odkształcenia trwałego po ściskaniu

2. Jak wartość odkształcenia trwałego wiąże się z ciśnieniem (stopniem ściskania), temperaturą i czasem starzenia

3. Szybka metoda oceny po starzeniu

4. Zakres niniejszego artykułu oraz tematy przyszłe

1. Zasada działania uszczelki oraz tryby uszkodzenia

Produkt zapewnia uszczelnienie, ponieważ elastomer (pierścień uszczelniający) jest dociskany do powierzchni styku i blokuje przepływ gazu lub cieczy.

Z punktu widzenia ścieżki przecieku awaria uszczelnienia przyjmuje dwie główne postacie:

• Przeciek na styku: występuje między pierścieniem uszczelniającym a powierzchnią styku w przypadku niewystarczająco dobrego dopasowania; płyn przepływa wzdłuż styku lub szczeliny.

• Przenikanie przez materiał: cząsteczki gazu lub cieczy przenikają przez sam materiał gumowy lub plastikowy na poziomie molekularnym.

W rzeczywistej praktyce inżynierskiej test pęcherzykowy pod nadciśnieniem zwykle łatwiej wykrywa duże przecieki na styku, natomiast utrata izolacji po zanurzeniu lepiej sprawdza, czy cały produkt ulega przeciekowi na poziomie systemowym.

Ważna uwaga: wyniki testów nie wskazują automatycznie dokładnego mechanizmu awarii. Na przykład produkt może nie wykazywać pęcherzyków pod wpływem ciśnienia dodatniego, ale ulec uszkodzeniu izolacji pod wpływem ciśnienia ujemnego. Nie oznacza to jednak, że przyczyną jest przesiąkanie materiału — może to nadal być przeciek na połączeniu, lokalne wady pierścienia uszczelniającego lub inna ścieżka przecieku.

2. Projektowanie konstrukcji pierścienia uszczelniającego

Publiczne wytyczne projektowe podkreślają jednoznacznie, że przy projektowaniu pierścienia uszczelniającego należy rozpatrzyć łącznie takie parametry jak wartość ucisku, wypełnienie rowka, stan rozciągnięcia/instalacji, chropowatość powierzchni oraz допuszczalne odchyłki wymiarowe. Zbyt mały ucisk powoduje słabe stykanie się powierzchni; zbyt duży ucisk może przyspieszyć odkształcenie trwałe, spowodować zbyt wysokie siły montażowe lub uszkodzenie lokalne.

W projektowaniu inżynierskim można wykorzystać analizę metodą elementów skończonych (MES), aby przeprowadzić symulację działania pierścienia uszczelniającego pod wpływem rozciągania, montażu itp., oraz ocenić jego niezawodność na podstawie kluczowych wartości liczbowych. Poniżej przedstawiono najważniejsze punkty do sprawdzenia.

Uwaga: te wartości są wskaźnikami inżynierskimi typu „proxy”, a nie bezpośrednimi pomiarami przecieku.

1. Tryby uszkodzenia w różnych stanach

Podczas przeglądu konstrukcji najpierw sprawdź, czy przy różnych kombinacjach wymiarów i stanach montażu pojawiają się oczywiste tryby uszkodzenia, np.:

• zapadanie się wargi uszczelniającej

• zwijanie się lub zaciskanie

• lokalne wypychanie

• wyraźne, nieprawidłowe skupienie naprężeń

Ten etap pozwala ocenić, czy uszczelka nadal znajduje się w normalnym stanie roboczym. Nawet jeśli nominalny stopień ściskania wydaje się odpowiedni, nieprawidłowe zapadanie się lub fałdowanie wargi uszczelniającej w warunkach skrajnego montażu może nadal prowadzić do spadku niezawodności.

2. Ciśnienie kontaktowe i długość strefy kontaktu przy LMC (najmniejszym materiale – Least Material Condition)

W przypadku uszczelek statycznych warunek LMC (minimalny wymiar pierścienia uszczelniającego zgodnie z tolerancją, maksymalna szczelina w rowku zgodnie z tolerancją) jest często najbardziej krytycznym momentem, ponieważ taka kombinacja powoduje łatwiejszy spadek ciśnienia kontaktowego i długości strefy kontaktu.

W przypadku pola łączenia doświadczenia wskazują, że wstępny projekt dla gumy silikonowej powinien zakładać ciśnienie dodatnie >500 kPa oraz długość styku >0,6 mm. Jest to wartość odniesienia, która pozwala osiągnąć szczelność na poziomie 28 kPa po 1008 godzinach w temperaturze 125°C (co odpowiada mniej więcej głębokości zanurzenia 3 m pod poziomem wody).

Dodatkowe uwagi:

① W razie potrzeby należy również rozważyć odkształcenie elementów współpracujących pod wpływem siły.

② Ciśnienie kontaktowe i długość styku są sprawdzaniami na poziomie makroskopowym; na poziomie mikroskopowym nadal należy uwzględnić kanały przecieków powstające na skutek chropowatości powierzchni.

3. Współczynnik wypełnienia przekroju i naprężenia lokalne przy MMC (warunku maksymalnej ilości materiału)

Przy MMC pierścień uszczelniający ma większe prawdopodobieństwo nadmiernego ściskania. Należy zwrócić uwagę na:

• czy współczynnik wypełnienia przekroju jest zbyt wysoki (musi pozostawać poniżej 100%),

• czy naprężenia lokalne przekraczają wytrzymałość materiału (muszą pozostawać poniżej wytrzymałości na rozciąganie gumy) i czy występuje tendencja do zgniatania,

• czy istnieje ryzyko wypchnięcia materiału.

3. Odporność pierścieni uszczelniających na warunki atmosferyczne

Wcześniejsza część dotyczyła wydajności pierścienia uszczelniającego w stanie nowym, a analiza MES może dostarczyć dość dokładnych wyników w tym zakresie.

Jednak materiały gumowe ulegają trwałemu odkształceniowi po ściskaniu, relaksacji naprężeń, starzeniu termicznemu oraz obniżeniu właściwości w czasie, dlatego interfejs uszczelniający stopniowo traci pierwotną siłę kontaktu.

Przeprowadzenie pozytywnych początkowych testów nie oznacza, że urządzenie pozostanie niezawodne do końca jego cyklu życia. Czynniki związane ze starzeniem należy uwzględnić już na etapie projektowania.

1. Definicja odkształcenia trwałego po ściskaniu

Odkształcenie po ściskaniu jest kluczowym wskaźnikiem oceny zdolności materiału gumowego do zachowania swojej sprężystości po długotrwałym ściskaniu.

Oznacza to, że po długotrwałym ściskaniu i starzeniu się pierścienia uszczelniającego, po zdjęciu obciążenia nie powraca on w pełni do pierwotnego kształtu. Im większe jest odkształcenie po ściskaniu, tym gorsza jest zdolność do odzyskania pierwotnej postaci i tym wyższe ryzyko utraty skutecznego kontaktu uszczelniającego na końcu cyklu życia.

(W artykule zamieszczono tutaj schemat odkształcenia po ściskaniu.)

(W artykule przedstawiono standardowe urządzenia do badania w branży zestawu sprężania pierścieni uszczelniających blok gumowy o standardowej wielkości umieszczony między płytami.)

2. Jak wartość odkształcenia trwałego wiąże się z ciśnieniem (stopniem ściskania), temperaturą i czasem starzenia

Jakościowo trzy główne czynniki to ciśnienie (prędkość kompresji), temperatura i czas.

(Artykuł przedstawia wykres zestawu kompresji gumowej silikonowej VMQ w porównaniu z szybkością kompresji. Dla VMQ zbyt mała lub zbyt duża kompresja nie jest najlepsza dla długoterminowej wydajności.)

(Uwaga: gdy kompresja jest bardzo łagodna, liczba zestawu kompresji "procentowa" może wyglądać bardzo wysoko.)

(Artykuł przedstawia wykresy kompresji po starzeniu w różnych temperaturach wyższa temperatura pogarsza regenerację.)

(W artykule przedstawiono przybliżoną żywotność różnych materiałów uszczelniających w różnych temperaturach wyłącznie do celów odniesienia.)

(Artykuł przedstawia wykres zestawu kompresji gumy NBR w porównaniu z czasem starzenia się.)

3. Szybka metoda oceny po starzeniu

W praktyce inżynierskiej można podstawić zmierzoną wartość utraty sprężenia po starzeniu do pierwotnego projektu, aby szybko sprawdzić, czy zapas bezpieczeństwa jest wystarczający, oraz oszacować ryzyko uszkodzenia na końcu okresu eksploatacji.

Przykład: Jeśli początkowa stopa sprężenia w projekcie wynosi 10%, ale po 1008 godzinach przy temperaturze 125 °C utrata sprężenia osiąga 17%, to po starzeniu uszczelka prawdopodobnie ulegnie awarii. Należy zwiększyć początkową stopę sprężenia lub wybrać gumę o lepszych właściwościach utraty sprężenia.

Uwaga: Metoda ta nadaje się do szybkich sprawdzeń lub oceny trendów, ale nie do bezpośredniego przewidywania końcowej wartości współczynnika przecieku.

4. Zakres niniejszego artykułu oraz tematy przyszłe

Niniejszy artykuł przedstawia jakościowy schemat projektowania uszczelek, jednak wiele tematów pozostaje dotąd nieomówionych, m.in. zależność między chropowatością powierzchni a skutecznością uszczelnienia, wpływ niskich temperatur na wydajność uszczelek, metody ilościowego określania współczynnika przecieku oraz budowa modeli dopasowujących zależność pomiędzy temperaturą a starzeniem.

Źródła

[1] Parker Hannifin Corporation. Podręcznik uszczelek typu O-ring firmy Parker: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H i in. Prognozowanie trwałości kauczuku akrylonitrylowego pod obciążeniem ściskającym w oleju transformatorowym [C] // Materiały 5. Międzynarodowej Konferencji z zakresu pomiarów, przyrządów pomiarowych i automatyki (ICMIA 2016). Paryż: Atlantis Press, 2016, s. 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.