O-ringi „mogą” zapewniać uszczelnienie obrotowe, ale zazwyczaj nie powinny być pierwszym wyborem do ciągłego uszczelniania wałka obrotowego

Najpierw wyjaśnijmy kluczowy punkt: jeśli O-kręg jest zamontowany w pokrywie końcowej, kołnierzu, obudowie, korku lub podobnym miejscu oraz nie występuje żaden ruch względny między powierzchniami uszczelniania, to nadal chodzi o uszczelnienie statyczne; taki przypadek jest całkowicie poprawnym zastosowaniem pierścieni O. To, co wymaga szczególnej ostrożności, to:

Średnica wewnętrzna pierścienia O bezpośrednio obejmująca obracający się wałek albo średnica zewnętrzna ślizgająca się względem obracającego się otworu – czyli użycie pierścienia O jako dynamicznego uszczelnienia obrotowego.

Istota pierścienia O to element uszczelniający, który generuje ciśnienie kontaktowe poprzez „odkształcenie ściskające”; kluczową zasadą działania uszczelki wału obrotowego jest „utrzymanie warstwy oleju przy kontrolowanym ciśnieniu kontaktowym, ograniczanie ciepła tarcia oraz kompensacja zużycia i biegania wału.” Te dwa podejścia projektowe nie są w pełni zgodne.

1. Największym problemem jest ciepło tarcia

Gdy pierścień O stosuje się do uszczelniania wału obrotowego, wał przechodzi przez średnicę wewnętrzną pierścienia O, a jego powierzchnia wewnętrzna pozostaje w długotrwałym kontakcie z obracającym się wałem. Instrukcje projektowe firmy Apple Rubber wyraźnie stwierdzają, że w warunkach obrotu średnica wewnętrzna pierścienia O podlega ciągłemu nagrzewaniu przez tarcie, ponieważ elastomer gumowy ma słabe właściwości odporności na ciepło; jeśli szybkość generowania ciepła przekracza szybkość jego odprowadzania, pierścień O może ulec awarii.

Dlatego pytanie klientów wyłącznie o „jaką prędkość obrotową” nie wystarcza — należy przeanalizować zarówno średnicę wału, jak i prędkość obrotową.

Na przykład przy średnicy wału 30 mm i prędkości obrotowej 1000 obr/min prędkość powierzchniowa wynosi około 1,57 m/s; przy średnicy wału 50 mm i prędkości obrotowej 1500 obr/min prędkość powierzchniowa wynosi około 3,93 m/s. Im większa średnica wału, tym większe ciepło tarcia przy tej samej prędkości obrotowej.

Parker wyjaśnienie [nazwisko autora] dotyczące zużycia uszczelki dynamicznej typu pierścienia O wskazuje również, że dynamiczne uszczelki typu pierścienia O są łatwo narażone na zużycie i tarcie, a tarcie zależy od ciśnienia na powierzchni kontaktowej oraz od wzrostu temperatury w strefie kontaktowej uszczelnienia.

2. Pierścienie O nie posiadają zaprojektowanej zdolności do kontrolowania warstwy olejowej dla „wargi obrotowej”

Uszczelki obudowowe, uszczelki promieniowe do wałów, uszczelki wargowe z PTFE oraz inne części uszczelniające do ruchu obrotowego mają za podstawową wartość nie tylko „zatrzymywanie oleju”, lecz także ciągłe tworzenie kontrolowanej strefy kontaktowej poprzez geometrię wargi, siłę kontaktową oraz strukturę sprężynową lub wstępne napięcie.

Dane technologiczne uszczelki obrotowej Freudenberga wyjaśniają: po starannie zaprojektowaniu kąta otwarcia wargi, warstwa oleju utworzona przez kąt osiowy oraz rozkład siły radialnej pręta sprężynowego tworzy asymetryczny rozkład ciśnienia kontaktowego; dodatkowo mikroodkształcenie krawędzi wargi po okresie przyprawki generuje efekt powrotnego przepływu oleju lub tzw. „mikropompowania”, który ma kluczowe znaczenie dla funkcji uszczelnienia.

Uszczelki pierścieniowe typu O mają po prostu okrągły przekrój dociskany do wału. Nie posiadają one specjalnie zaprojektowanego kąta nachylenia warstwy oleju, kąta nachylenia powietrza, efektu powrotnego przepływu oleju ani geometrycznie zoptymalizowanej, sprężystej krawędzi wargi. Wynik jest następujący: stabilizacja warstwy smarującej jest trudniejsza, tarcie jest mniej kontrolowane, a ciśnienie kontaktowe łatwo ulega fluktuacjom pod wpływem ciśnienia, temperatury, niestylności wału oraz jego skoków.

Dlatego też uszczelki olejowe, uszczelki wargowe, pierścienie typu V oraz mechaniczne uszczelki czołowe będą niezależnie określone jako rozwiązania uszczelniające dla elementów obrotowych. Definicja uszczelki wału obrotowego firmy Trelleborg brzmi: komponenty stosowane do uszczelniania cieczy w elementach obrotowych lub wahających się oraz zapobiegające przedostawaniu się pyłu, wody i innych zewnętrznych zanieczyszczeń; do jej oferty należą m.in. radialne uszczelki olejowe, radialne/uszczelki olejowe do wałów, obrotowe uszczelki z PTFE aktywowane pierścieniem O, pierścienie typu V oraz mechaniczne uszczelki czołowe.

3. Niewystarczające smarowanie szybko nasila zużycie

Uszczelnianie obrotowe to nie tylko proste „przylepianie gumy do metalu”. Gdy występuje tarcie kontaktowe, konieczne są smarowanie oraz odprowadzanie ciepła.

Materiały uszczelnie pierścieni obrotowych firmy Freudenberg wyraźnie podkreślają: kluczowe znaczenie dla trwałości i niezawodności uszczelki ma wystarczające smarowanie; im lepsze smarowanie, tym mniejszy zużycie. Ten sam materiał wskazuje również, że parametry wpływające na siłę radialną oraz stan smarowania mają także wpływ na zużycie energii spowodowane tarciem w uszczelce.

Gdy do uszczelniania wałów obrotowych stosuje się pierścienie O-ring, powszechnym błędem jest przekonanie, że «wystarczy nanieść niewielką ilość smaru przy montażu». W rzeczywistości smar naniesiony początkowo pozwala jedynie na bezpieczny start, ale nie zapewnia stabilnej warstwy olejowej w długotrwałej eksploatacji. W szczególności podczas długotrwałej pracy pierścień O-ring łatwo przechodzi w stan smarowania granicznego lub nawet tarcia suchego.

4. Skręcanie, toczenie się oraz „uszkodzenie spiralne” to typowe zagrożenia uszczeleń dynamicznych typu pierścieni O.

Przekrój poprzeczny pierścienia O ma kształt okrągły i w uszczelnieniach dynamicznych łatwo podlega niejednorodnym siłom tarcia, co powoduje lokalne toczenie się i skręcanie. Analiza firmy Parker przyczyn uszkodzeń spiralnych pierścieni O obejmuje: niewłaściwe zaokrąglenie części, mimośród, chropowatą wykończenie powierzchni, brak smarowania lub niedobór smaru, zbyt miękki materiał, nieodpowiedni stosunek przekroju poprzecznego do średnicy wewnętrznej oraz niewłaściwe rozciągnięcie podczas montażu; środki zapobiegawcze obejmują zmniejszenie niewłaściwego zaokrąglenia i mimośrodu, ograniczenie zmienności przekroju poprzecznego, zapewnienie odpowiedniej jakości powierzchni, zastosowanie twardszego materiału oraz odpowiedniego stosunku przekroju poprzecznego do średnicy wewnętrznej.

Ten problem występuje częściej na wałkach obrotowych. Stan idealny to: pierścień uszczelniający O-ring umieszczony w rowku, przy którym względny ruch zachodzi wyłącznie na średnicy wewnętrznej pierścienia O-ring. W rzeczywistości jednak, jeśli projekt rowka, chropowatość powierzchni, stopień ucisku lub smarowanie są nieodpowiednie, pierścień O-ring może być „ciągnięty wzdłuż wałka”, skręcać się oraz częściowo toczyć się w rowku, co ostatecznie przejawia się jako:

Apple Rubber zwraca szczególną uwagę w projektowaniu obrotowych pierścieni O, że obracające się lub oscylujące aplikacje powinny unikać rozciągania pierścienia O na wałku; elastomer poddawany rozciągnięciu cieplnemu może powodować kurczenie, czyli efekt Joule'a, zwiększa

5. Nie. Nieokrągłe, wyciek wału i ekscentryczność mogą prowadzić do utraty kontroli ciśnienia kontaktu pierścienia O

Uszczelnienia wałka obrotowego muszą radzić sobie z wibracjami wałka, współosiowością, chropowatością powierzchni wałka, jego twardością oraz radialnym dynamicznym błędem produkcyjnym. Typowe uszczelnienia typu skeleton wyposażone są zwykle w geometrię wargi i wspomaganie sprężynowe, co pozwala im kompensować w określonym zakresie przemieszczenia radialne i utrzymywać uszczelnienie. Dane Freudenberga wskazują, że siła radialna uszczelnienia pochodzi od siły osiadania w stanie zamontowanym oraz od siły sprężyny; projekt ma na celu zmniejszenie siły radialnej w celu ograniczenia tarcia i zużycia, ale jednocześnie musi być wystarczająco duża, aby zapewnić skuteczne uszczelnienie.

O-kręgi nie mają specjalnej struktury wiosennego ładowania. Jeśli jest ekscentryczny, kompresja jednej strony jest zbyt duża, powodując wytwarzanie ciepła i zwiększanie zużycia; druga strona ma niewystarczającą kompresję, łatwo przecieka. W projekcie ochrony Apple Rubber dla obrotowych pierścieni O wymieniono również, że ruch względny powinien występować tylko między średnicą wewnętrzną pierścienia O a wirującym wałem, a tego należy uniknąć, kontrolując koncentryczność wału, wykończenie powierzchni wału i stan powierzchni

6. Nie. Kiedy można używać pierścieni O do pieczęci obrotowych?

To możliwe, ale warunki graniczne muszą być surowe i potwierdzone przez rzeczywiste testy życia. Do stosunkowo odpowiednich scenariuszy należą:

Lista zaleceń Apple Rubber dotyczących projektowania obrotowych pierścieni O zawiera środki zmniejszające ryzyko awarii, takie jak zwiększenie przepływu cieczy w celu odprowadzania ciepła, dobór wysokiej jakości materiału samo-smarującego, ograniczenie ciśnienia, unikanie skrajnych temperatur oraz staranie się utrzymywać ciecz smarującą jak najbliżej miejsca działania. Dane firmy wspominają wartość 180 stóp na minutę powierzchni (surface feet per minute) jako próg, powyżej którego wymagane są specjalne środki projektowe w konstrukcji mechanicznej, aby zapobiec tej konkretnej sytuacji; wartość ta odpowiada mniej więcej 0,91 m/s; należy rozumieć te wartości jako wytyczne dla konkretnego projektu, a nie jako uniwersalne limity dla wszystkich materiałów i wszystkich kombinacji konstrukcyjnych.

7. Kiedy pierścienie O nie powinny być pierwszym wyborem?

Następujące sytuacje wskazują na konieczność bezpośredniego użycia uszczelki obudowanej, pierścieni V, uszczelki wargowej, obrotowych uszczelki z PTFE lub uszczelki mechanicznej:

8. Jak wybrać różne alternatywne rozwiązania?

Uszczelnienie z ramką (uszczenienie wałkowe promieniowe)

Przeznaczone do większości typowych wałków obrotowych: reduktorów, silników, pomp, piast kół, maszyn rolniczych i budowlanych. Jego zaletami są dojrzała konstrukcja, kontrolowalny koszt oraz standaryzowana instalacja; zapewnia zatrzymywanie oleju, ochronę przed kurzem oraz stosunkowo stabilny kontakt dzięki wargom i sprężynie. Opis techniczny uszczeleń wałkowych promieniowych firmy Freudenberg podkreśla, że kluczowymi wymaganiami dla takich uszczeleń są niezawodne uszczelnianie, bardzo wysoka niezawodność, kompatybilność z medium, niskie tarcie oraz łatwa instalacja.

Pierścień V

Przydatny do zapobiegania zapylaniu, odporności na błoto i wodę, odporności na wodę, uszczelniania czołowego osiowego oraz ochrony przed zanieczyszczeniami zewnętrznymi. Pierścienie V zwykle obracają się razem z wałem, a warga styka się osiowo z nieruchomą powierzchnią czołową; nie nadają się do wytrzymywania dużych różnic ciśnień, ale są bardzo odpowiednie jako dodatkowa ochrona zewnętrzna lub uszczelnienie pomocnicze.

Uszczelka wargowa / uszczelka obrotowa z PTFE

Przydatna w zastosowaniach wysokoprędkościowych, niskotarcie, wysokotemperaturowych, w środowiskach chemicznych, przy niskiej wycieku lub ograniczonej przestrzeni montażowej. W szczególności uszczelki obrotowe z PTFE zasilane pierścieniem O – nie są one zasadniczo bezpośrednim „gołym pierścieniem O stykającym się z wałem”, lecz pierścień O zapewnia sprężynową siłę wstępną, podczas gdy warga z PTFE odpowiada za tworzenie tarcia z obracającym się wałem. Linia produktów uszczelki obrotowych firmy Trelleborg obejmuje również uszczelki obrotowe z PTFE zasilane pierścieniem O.

Mechaniczne uszczelnienie

Odpowiedni do pomp, mieszadeł, sprężarek i innego sprzętu obrotowego wymagającego wyższych parametrów uszczelniania, takich jak szczelność przeciw wyciekom, ciśnienie, ochrona przed korozją lub długotrwała eksploatacja. Uszczelnienie zapewnia się za pomocą par czołowych tarczowych, a nie przez bezpośrednie dociskanie pierścienia gumowego do wału obrotowego. W uszczelkach mechanicznych można stosować pierścienie O, ale zwykle jako pomocnicze uszczelki statyczne lub kompensacyjne, nie zaś jako główną obrotową uszczelkę tarczową.

9. Parametry, które należy zapytać podczas zapytania lub potwierdzenia technicznego z klientem

Zanim oceni się, czy pierścień O może być używany do uszczelniania obrotowego, należy przynajmniej potwierdzić poniższe informacje:

10. Podsumowanie kluczowych stanowisk

Uszczelki pierścieniowe O-ring nie są z natury niezdolne do zapewnienia uszczelnienia obrotowego, ale nie nadają się do stosowania jako podstawowa uszczelka wału obrotowego. Główne ryzyka związane z ich użyciem to: ciepło tarcia, niewystarczające smarowanie, skręcanie/toczenie się, zużycie i zadrapania, drgania wału powodujące nieregularny kontakt, trwała deformacja spowodowana ściskaniem oraz niestabilny czas życia.

Bardziej uzasadniona z inżynierskiego punktu widzenia zasada brzmi:

W przypadku uszczelnień nieruchomych – priorytetem jest uszczelka pierścieniowa O-ring; w przypadku ciągłego obrotu wału – priorytetem są uszczelki wargowe, uszczelki olejowe z rusztowaniem, uszczelki typu V-ring lub uszczelki mechaniczne; gołe uszczelki O-ring stosuje się wyłącznie w scenariuszach o niskiej prędkości obrotowej, niskim ciśnieniu, wystarczającym smarowaniu oraz możliwym do weryfikacji ryzyku.