
Același lucru Anelul O proiectarea nu poate fi aplicată direct atât pentru etanșările statice, cât și pentru cele dinamice — motivul fundamental este următorul: o etanșare statică trebuie să rezolve în principal problema «comprimare suficientă, etanșare eficientă»; o etanșare dinamică trebuie să rezolve simultan problemele «etanșare eficientă, mișcare fluidă, uzură redusă, rezistență la înaintare acceptabilă, rezistență acceptabilă la pornire».
O garnitură O-ring se bazează esențial pe cantitatea de comprimare inițială și pe tensiunea de contact generată de presiunea mediului pentru a asigura etanșarea.
În cazul etanșărilor statice, montarea garniturii O-ring nu mai efectuează practic nicio mișcare relativă față de metal; un joc de comprimare mai mare, o suprafață mai aspră și toleranțe dimensionale mai largi sunt, în general, acceptabile. În cazul etanșărilor dinamice, garnitura O-ring alunecă repetat sau se rotește în jurul unui arbore, al unei alezaje sau al unei tije de piston, astfel încât proiectarea zonei de etanșare trebuie să țină cont, în plus, de viteză, frecare, filmul de lubrifiant, uzură, generarea de căldură, rezistența la pornire, jocul/extrudarea și rugozitatea suprafeței. Parker designul radial etanșat al acestuia separă, de asemenea, în mod clar etanșările radiale statice de cele dinamice: o etanșare statică nu implică nicio mișcare relativă, în timp ce o etanșare dinamică sau reciprocă implică rotație sau mișcare alternativă; o etanșare statică este, în general, mai tolerantă la jocuri mai mari și la suprafețe mai aspre.
Scenarii tipice: flanșe, capete de închidere, capace de supapă, capace de pompă, capace de inspecție, fețe frontale ale carcaselor.
Forma de etanșare: o-ring-ul este așezat în canelura frontală și este comprimat axial de cele două plane opuse.
Obiectivele principale de proiectare ale unei etanșări statice frontale sunt:
O-ring-ul trebuie să fie comprimat într-o anumită măsură de fața frontală pentru a genera starea inițială de tensiune de contact. Odată ce presiunea mediului acționează, O-ring-ul este împins suplimentar către partea cu presiune scăzută, consolidând astfel etanșarea.
Canalul nu poate umple complet garnitura inelară (O-ring). Cauciucul se dilată termic și se umflă în prezența mediilor, astfel încât canalul trebuie să lase spațiu pentru deformare; în caz contrar, pot apărea compresie excesivă, forfecare, extrudare sau dificultăți de montare.
Modul principal de defectare al etanșărilor statice de suprafață pe termen lung este îmbătrânirea cauciucului, deformarea permanentă (compression set) sau coroziunea datorată mediului — nu uzura prin alunecare.
Dacă dispunerea şuruburilor, rigiditatea flanșei sau planitatea acesteia sunt insuficiente, compresia locală neuniformă poate provoca scurgeri localizate.
În cazul etanșărilor statice de tip față, inelul O suportă frecare doar pe durata scurtă a montării și, în general, nu are mișcare continuă în timpul funcționării. Prin urmare, pentru a asigura fiabilitatea etanșării statice, etanșările statice de tip față utilizează de obicei un grad ridicat de comprimare. Materialul tehnic privind inelele O al Angst+Pfister subliniază, de asemenea, că, în condiții statice, comprimarea inelului O poate fi mai mare decât în condiții dinamice, deoarece nu există considerente legate de frecarea continuă între suprafețe și uzură — chiar și materiale mai moi pot fi selectate dacă suprafața de contact este mai aspră sau ușor deteriorată.
Mentalitatea de proiectare a unei etanșări statice de tip față este „strânsă“. Dacă această mentalitate bazată pe comprimare ridicată și tensiune de contact ridicată este aplicată în mod repetat pentru o etanșare dinamică rotativă sau alternativă, forța de frecare, rezistența la pornire și căldura generată prin frecare vor crește semnificativ, provocând uzură a suprafeței inelului O, zgârieturi, urme de ardere, aderență sau chiar lipirea acestuia de arbore.
Scenarii tipice: ajustaje dop/gaură, ajustaje tija supapă, racorduri pentru țevi, pistonase statice, manșoane statice, etanșări statice pe diametrul exterior.
Forma de etanșare: o-ring-ul este comprimat radial între circumferința interioară și cea exterioară, iar direcția de etanșare este radială.
Diferența dintre etanșările statice radiale și cele statice frontale constă în faptul că etanșările statice frontale sunt comprimate axial, în sensul sus-jos, în timp ce etanșările statice radiale sunt comprimate radial, între diametrul interior (ID) și cel exterior (OD). Notițele Parker privind materialele pentru etanșări statice radiale precizează că comprimarea unei etanșări radiale acționează în direcția ID și OD a O-ring-ului, în timp ce comprimarea unei etanșări frontale acționează în direcția sus-jos a feței finale.
Obiectivele principale de proiectare ale unei etanșări statice radiale sunt:
O compresie prea mică va determina scurgeri; o compresie prea mare va face montarea dificilă, va genera tensiuni excesive sau va accelera fenomenul de deformare permanentă prin compresie.
Când inelul O este montat pe un arbore, acesta poate fi întins; când este montat într-un alezaj, acesta poate fi comprimat. Întinderea excesivă reduce grosimea secțiunii transversale, iar cantitatea reală de compresie scade; compresia excesivă poate provoca încovoiere sau forfecare la montare.
Deși o etanșare statică radială nu se mișcă după montare, în timpul instalării aceasta trebuie adesea să treacă peste muchii înclinate, filete, alezaje și muchii ascuțite. Defecțiunile care apar frecvent pe site-urile de întreținere nu sunt de obicei datorate unei compresii insuficiente în proiectare, ci faptului că inelul O este zgâriat, răsucit sau strivit în timpul montării.
Sub presiune ridicată, inelul O poate fi extrudat în jocul de asamblare dintre piese. Luați în considerare utilizarea unui inel de sprijin atunci când presiunea este ridicată, jocul este mare, temperatura este ridicată sau duritatea cauciucului este scăzută.
O garnitură statică radială aparține încă categoriei de garnituri statice. Aceasta poate tolera un joc mai mare și o suprafață mai aspră decât o garnitură dinamică, deoarece nu există frecare prin alunecare continuă — dar acest lucru nu înseamnă că proiectarea garniturii statice radiale nu are deloc cerințe de verificare; o proiectare statică garantează doar «etanșarea în starea imobilă» și nu verifică dacă frecarea, uzura, lubrifierea și rezistența la demarare în timpul mișcărilor dinamice repetate sunt acceptabile.
Profilul de risc al unei garnituri statice de tip dop/gaură și al unei garnituri alternative sigiliul de piston este complet diferit. Un dop/bucșă statică are nevoie doar să prevină scurgerile; o garnitură de etanșare pentru piston trebuie să reziste fiecărui ciclu al mișcării alternative. Rata de compresie a canalelor pentru garnituri statice radiale este, în general, mai mare, ceea ce se traduce direct în cuplu de frecare și generare de căldură pe un arbore în rotație; în cazul unei garnituri de etanșare pentru piston alternativ, acest lucru poate însemna: lipsa scurgerilor pe termen scurt, dar în timpul funcționării se încălzește, inelul O se arde și apare aderarea la suprafață — formând în cele din urmă o scurgere mai gravă.
Scenarii tipice: pistoane ale cilindrilor hidraulici, pistoane ale cilindrilor pneumatici, tije de supapă cu mișcare alternativă, pistoane cu mișcare de translație, garnituri de etanșare pentru tija pistonului.
Forma de etanșare: inelul O funcționează ca garnitură de etanșare pentru piston sau pentru tija pistonului, efectuând o mișcare alternativă rectilinie de-a lungul peretelui cilindrului sau al suprafeței tijei.
O garnitură de etanșare pentru piston alternativ aparține tipului clasic de etanșare dinamică. Nu poate fi evaluată simplu prin întrebarea «poate menține presiunea?» — trebuie, de asemenea, luate în considerare următoarele probleme:
Cu cât viteza de oscilație este mai mare, cu atât puterea de frecare pe unitatea de timp este mai mare și cu atât creșterea temperaturii inelului O este mai evidentă. O viteză excesivă poate provoca îmbătrânire termică, îndurare, fisurare sau ardere a suprafeței din cauciuc. O viteză prea scăzută poate, dimpotrivă, să împiedice formarea unui film lubrifiant stabil, ducând la frecare uscată și la alunecare.
Manualul Parker pentru inele O precizează că frecarea în cazul etanșărilor dinamice este influențată simultan de mulți factori, inclusiv geometria etanșării, preîncărcarea, duritatea materialului, coeficientul de frecare uscată/umedă, formarea filmului lubrifiant, vâscozitatea mediului, presiunea de lucru, viteza de alunecare și materialul și rugozitatea suprafeței de contact.
Cantitatea de comprimare a unei etanșări dinamice nu poate fi stabilită simplu la același nivel ca și cea a unei etanșări statice. Cu cât este mai mare cantitatea de comprimare, cu atât este mai mare presiunea de contact, mai mare frecarea, iar rezistența la pornire și rata de uzură sunt, de asemenea, mai mari. Materialul Angst+Pfister indică, de asemenea, în mod clar faptul că, în aplicațiile dinamice, deformarea secțiunii transversale a inelului O trebuie să fie mai mică decât în aplicațiile statice, pentru a reduce frecarea, uzura și creșterea temperaturii; suprafața de contact a unei etanșări dinamice trebuie, de asemenea, să fie mai netedă pentru a controla abrazia.
Aceasta este exact problema cu care se confruntă frecvent siturile de întreținere: «înlocuirea unui inel O de aceeași dimensiune; inițial nu există scurgeri, dar ulterior viteza de funcționare scade, temperatura crește, forța de împingere este insuficientă și, la câteva zile distanță, reapar scurgerile». Motivul nu este, de obicei, faptul că dimensiunea este cu o treaptă incorectă, ci aplicarea gândirii specifice etanșării statice într-o poziție de etanșare dinamică: gradul de comprimare este excesiv, coeficientul de frecare al materialului este prea ridicat, iar lubrifierea este insuficientă sau canelura nu este potrivită pentru funcționarea dinamică.
Un etanșeu reciprocant pentru piston trebuie să mențină un film lubrifiant foarte subțire pe suprafața de etanșare. Dacă filmul lubrifiant este prea subțire, inelul O intră în contact direct cu suprafața metalică, iar uzura crește brusc; dacă filmul lubrifiant este prea gros, acesta poate apărea sub formă de scurgeri exterioare sau de scurgeri interne. Materialul Parker menționează, de asemenea, că filmul lubrifiant este îndepărtat prin răzuire și funcționarea devine mai fragilă; o grosime insuficientă a filmului lubrifiant poate determina scurgeri nedorite, astfel încât un etanșeu dinamic trebuie să realizeze un echilibru între frecare și scurgeri.
Etanșeurile hidraulice reciprocante nu ar trebui, în special, să urmărească «perfect curate, fără ulei». Materialul inelului O al Dichtomatik subliniază faptul că etanșeurile hidraulice dinamice cu o mică scurgere microscopica favorizează, de fapt, formarea unui film lubrifiant, reducând frecarea și uzura.
O garnitură dinamică trebuie să facă distincția între frecarea la pornire și frecarea dinamică în timpul funcționării. Manualul Parker subliniază că, în aplicațiile dinamice, este necesar să se depășească frecarea statică la începutul mișcării și frecarea dinamică în timpul procesului de mișcare; manualul indică, de asemenea, că frecarea statică la pornire este deosebit de importantă în aplicațiile cu mișcare alternativă și în cilindri; acesta menționează, de asemenea, că frecarea statică de rupere a garniturii din elastomer este, în mod obișnuit, semnificativ mai mare decât frecarea dinamică.
Aceasta este foarte importantă pentru personalul responsabil cu întreținerea echipamentelor. O rezistență excesivă la ruperea frecării statice poate provoca: imobilitatea sau revenirea lentă a unui cilindru mic; disfuncționarea la presiune scăzută a unui cilindru pneumatic; alunecarea (creep) sau vibrația (jitter) a unui cilindru hidraulic; poziționarea instabilă în sistemele servo sau proporționale; sarcină crescută asupra motorului, pompei și sursei de aer; dificultăți la prima mișcare după o oprire prelungită.
Când pistonul efectuează o mișcare alternativă, inelul O poate prezenta: suprafață de alunecare aplatizată; suprafață întinsă sau decojita; defect de răsucire spiralată; îndepărtarea marginii sub presiune ridicată; tăierea marginii prin extrudare; deteriorare datorită arderii uleiului; uzură cauzată de particule de contaminare.
În condiții dinamice, jocul, vârfurile de presiune și viteza se suprapun, iar inelul O este mai ușor tras în joc. În notele privind materialele Angst+Pfister se menționează aplicațiile dinamice; din cauza jocului și a impactului presiunii ridicate, este necesară o inspecție periodică a compatibilității cu fluidul, a compatibilității cu lubrifiantul, precum și a efectelor generate de căldura de frecare și de contaminare.
Etanșarea unui piston în mișcare alternativă NU este un caz în care «cu cât comprimăm mai mult inelul O, cu atât devine mai sigur». O comprimare excesivă poate duce, de fapt, la o degradare mai rapidă. Proiectarea corectă trebuie să echilibreze forța de etanșare, forța de frecare, rezistența la pornire, filmul de lubrifiere și durata de viață.
Scenarii tipice: arbori rotitori cu viteză scăzută, supape rotative, articulații rotative, arbori de reglare cu viteză scăzută, mecanisme rotative pentru curse scurte.
Forma de etanșare: există o frecare continuă în direcția circumferențială între inelul O și arborele rotitor sau orificiul rotativ.
În comparație cu un etanșeu cu mișcare alternativă a pistonului, un etanșeu pentru arbore rotitor prezintă un risc și mai mare, deoarece mișcarea de rotație nu are un „punct final al cursei” clar — banda de contact este supusă continuu frecării pe o perioadă îndelungată, iar căldura se concentrează pe aceeași bandă de etanșare; dacă lubrifierea este insuficientă sau viteza este ridicată, inelul O este foarte predispus la ardere, îndurire, uzură, lipire sau deformare permanentă.
Considerații speciale necesare pentru proiectarea inelului O rotativ:
Cu cât diametrul arborelui este mai mare și cu cât rotația este mai rapidă, cu atât viteza liniară este mai mare și, respectiv, mai mare este căldura generată prin frecare. Nu este suficient să se ia în considerare doar turația (rpm) — trebuie calculată viteza liniară a suprafeței arborelui.
O garnitură rotativă necesită, de obicei, o compresie mai mică decât o garnitură statică. Diagrama Parker pentru canalele de montare ale inelelor O rotative indică faptul că secțiunile transversale diferite au game recomandate de compresie semnificativ diferite în condiții de funcționare rotativă; de exemplu, unele tabele de specificații indică valori între 0–11% sau chiar mai mici.
O garnitură rotativă trebuie să aibă, pe cât posibil, un lubrifiant în apropierea zonei de contact de etanșare, pentru a evita frecarea uscată; diagrama Parker pentru canalele de montare ale inelelor O rotative subliniază, de asemenea, în mod specific faptul că zona de etanșare trebuie să rămână cât mai aproape de mediul lubrifiant.
Devierea de circularitate, excentricitatea, rugozitatea, duritatea și urmele de prelucrare ale arborelui influențează stabilitatea filmului de ulei; o finisare excesivă sau urme de prelucrare incorecte pot, de asemenea, distruge filmul lubrifiant.
Notele Parker privind materialele inelelor O rotative precizează că, datorită efectelor forței centrifugale, canalul nu trebuie amplasat pe arbore.
La viteze ridicate sau la rotație continuă, inelele O din cauciuc obișnuite nu sunt adesea cea mai bună etanșare primară. Luați în considerare etanșări cu buze pentru arbore rotitor specializate, etanșări cu buze din PTFE, etanșări mecanice, etanșări combinate sau folosiți inelul O doar ca element elastic de încărcare.
Canalul unei etanșări statice radiale poate permite o comprimare radială mai mare, care, pe un arbore rotitor, se transformă direct în cuplu de frecare și generare de căldură. Consecința poate fi: nu prezintă scurgeri pe termen scurt, dar se încălzește brusc, inelul O se arde și suprafața se zgârie, formând în cele din urmă o scurgere mult mai gravă.
Articol |
Etanșare statică frontală |
Etanșare statică radială |
Etanșare reciprocantă pentru piston |
Etanșare pentru rotația arborelui |
Mișcare relativă |
Nimic |
Niciuna, cu excepția montajului |
Da, mișcare rectilinie alternativă |
Da, rotație continuă |
Direcția principală de compresiune |
Axiale |
Radială |
Radială |
Radială |
Obiectivul principal |
Static, fără scurgeri |
Static, fără scurgeri, rezistent la extrudare |
Echilibru între etanșare și frecare, torsiune scăzută, temperatură scăzută |
Etanșare, cuplu redus, control al temperaturii |
Gândirea legată de compresiune |
Poate fi relativ mai ridicat |
Poate fi relativ mai ridicat |
În general, mai mică decât etanșarea statică |
De obicei mai scăzută |
Cerințe privind suprafața |
Moderat |
Moderată, se recomandă atenție la teșitura de montare |
Ridicată, calitatea suprafeței dinamice este esențială |
Foarte ridicată, trebuie controlată excentricitatea arborelui |
Cerințe privind lubrifierea |
În principal pentru montare |
În principal pentru montare |
Trebuie luat în considerare filmul de lubrifiant pe întreaga durată a funcționării |
Trebuie asigurată lubrifierea continuă și disiparea căldurii |
Mod principal de eșec |
Deformare permanentă prin comprimare, îmbătrânire, afloarea flanșelor |
Tăierea în procesul de asamblare, extrudare, îmbătrânire |
Uzură, fluaj, rezistență la pornire, ardere, răsucire |
Generare de căldură, ardere, uzură a arborelui, cuplu prea mare |
Proiectare direct interschimbabilă? |
No |
No |
No |
Nu, risc maxim |
La etanșeurile statice, creșterea gradului de compresie sporește de obicei fiabilitatea inițială a etanșării. Însă, la etanșeurile dinamice, creșterea compresiei mărește direct presiunea de contact, ceea ce duce la o creștere suplimentară a frecării, generării de căldură, rezistenței la pornire și uzurii. Materialul Angst+Pfister specifică clar că, în aplicațiile dinamice, deformarea secțiunii transversale trebuie redusă pentru a diminua frecarea, uzura și creșterea temperaturii.
O suprafață de etanșare statică are nevoie doar de contact pe termen lung — nu are nevoie de alunecare pe termen lung. Rugozitatea, urmele de prelucrare mecanică și curățenia afectează durata de viață. O rugozitate a suprafeței acceptabilă pentru etanșarea statică poate provoca o uzură rapidă a unui inel O în cazul unei etanșări dinamice.
Etanșările statice vizează un contact strâns și perfect. O etanșare dinamică trebuie să mențină un film lubrifiant adecvat — fără un film de ulei, aceasta se încălzește excesiv; un film de ulei prea gros poate duce la scurgeri. Obiectivul de „absolut nicio scurgere”, specific etanșărilor statice, aplicat unei etanșări alternative sau rotative poate duce, de fapt, la o suprafață de etanșare uscată, la o frecare mai mare și la o reducere a duratei de viață.
O etanșare statică nu are mișcare — nu este necesar să se țină cont de frecarea de pornire. O etanșare dinamică trebuie să țină cont de frecarea de deblocare, adică de rezistența care trebuie învinsă la prima mișcare după o oprire. O rezistență excesivă la pornire poate duce la faptul că un cilindru mic nu se mișcă, un cilindru hidraulic se deplasează în mod neregulat (creep), tija unei supape se blochează sau răspunsul servomecanismului întârzie. Manualul Parker observă că frecarea statică de deblocare a elastomerilor este, în mod tipic, semnificativ mai mare decât frecarea dinamică și este influențată de durata oprirei, material, geometrie și starea suprafeței.
Durata de viață a unei etanșări statice este determinată în principal de deformarea plastică sub compresiune, temperatură, mediu, ozon, îmbătrânire și starea de montare. Durata de viață a unei etanșări dinamice trebuie să țină cont, în plus, de distanța de alunecare, viteză, presiune, lubrifiere, particule contaminante și căldură generată prin frecare. Cu alte cuvinte, durata de viață a unei etanșări dinamice nu se evaluează doar prin întrebarea «întrerupe etanșeitatea după montare?», ci prin întrebarea «câte curse de funcționare și câte ore de repaus static pot fi efectuate fără apariția scurgerilor sau cu frecare redusă?»
O garnitură de etanșare pentru rotație nu poate fi proiectată simplu prin prelucrarea unei canale de etanșare statică radială. În timpul rotației, inelul O suferă frecare circumferențială continuă; viteza liniară, excentricitatea arborelui, forța centrifugă și alimentarea cu lubrifiant afectează durata de viață. Notițele Parker privind materialele pentru inelele O rotative indică faptul că viteza, presiunea, cantitatea de comprimare și poziția canalului impun toate cerințe specifice, ceea ce demonstrează în mod clar că o etanșare rotativă nu poate folosi direct o canală statică radială generală.

La diagnosticarea problemelor pe teren, nu întrebați mai întâi «cât de mare este acest inel O» — întrebați mai întâi:
Dacă nu există nicio mișcare, proiectarea poate fi doar una de etanșare statică; dacă există mișcare alternativă, rotație sau oscilație, trebuie urmată o proiectare de etanșare dinamică.
Etanșările alternative și cele rotative nu pot fi grupate împreună. O etanșare alternativă ține cont de cursa pistonului, frecvență, viteză, rezistența la pornire și filmul de lubrifiere; o etanșare rotativă ține cont de viteza liniară, excentricitatea arborelui, căldura generată prin frecare, cuplul motor și alimentarea cu lubrifiant.
Indiferent dacă este ulei hidraulic, ulei de lubrifiere, aerosol sau chiar mediul în sine, acesta trebuie să poată forma un film de lubrifiere stabil. Aerul, mediile uscate, agenții de curățare și mediile prăfuite sunt, în special, predispuși la lipsa filmului de ulei.
Verificați mărimea comprimării, lățimea canelurii, gradul de umplere al canelurii, racordarea (teșirea), rugozitatea suprafeței, jocul, utilizarea unui inel de sprijin și calea de montare. Nu înlocuiți pur și simplu pe baza diametrului interior și a secțiunii transversale.
Etanșările statice acordă prioritate compatibilității cu mediul și setării de comprimare; etanșările dinamice trebuie, de asemenea, să țină cont de rezistența la uzură, coeficientul de frecare, elasticitatea la temperaturi scăzute, rezistența la căldură și compatibilitatea cu lubrifiantul.
Dacă suprafața inelului O este uzurată uniform, lucioasă, se desprind particule pulverulente, este îndurită, arsă, răsucită în spirală sau prezintă urme parțiale de mușcătură — de obicei, problema nu se rezolvă prin „înlocuirea cu un alt inel O de aceeași dimensiune” — ci prin faptul că proiectarea etanșării este, în sine, incorectă.
Un inel O pentru etanșare statică și un inel O pentru etanșare dinamică pot părea complet identice, dar logica de proiectare diferă.
Etanșări statice frontale pot pune accent pe cantitatea de comprimare, rigiditatea flanșei, capacitatea canalului și compatibilitatea cu mediul și temperatura.
Etanșări statice radiale pot pune accent pe excesul radial, teșitura de montare, jocul de extrudare și inelul de sprijin.
Etanșări dinamice pentru piston (reciprocante) trebuie, de asemenea, să verifice în mod suplimentar viteza, frecarea, lubrifierea, uzura, rezistența la pornire și vârful de presiune.
Segmente de etanșare pentru rotația arborelui trebuie, de asemenea, să verifice în mod suplimentar viteza liniară, cuplul, căldura generată prin frecare, alimentarea cu lubrifiant, excentricitatea arborelui și poziția canelurii; în general, nu se recomandă utilizarea unui inel O obișnuit ca etanșare principală în cazul rotației continue la viteză ridicată.
Eroarea cea mai frecventă în inginerie este: să vezi aceeași dimensiune și să presupui că este interschimbabilă; să nu observi nicio scurgere statică și să presupui că proiectul este corespunzător.
Judecata corectă ar trebui să fie: o etanșare statică se evaluează după criteriul «poate rămâne etanșată pe termen lung după comprimare»; o etanșare dinamică se evaluează după criteriul «poate rămâne etanșată și funcționa în mod uniform pe termen lung în condiții de viteză, presiune, lubrifiere și uzură».