Конструирование изделий — проектирование статических уплотнений

Суть проектирования уплотнений заключается в обеспечении того, чтобы за счёт совместного влияния конструкции, допусков, материалов и других факторов изделие полностью перекрывало все пути утечки на протяжении всего срока его службы.

Если вы проверяете уплотнение только в новом состоянии и игнорируете такие аспекты, как допуски уплотнительного кольца, допуски деталей или поведение уплотнения после старения, утечки могут возникнуть впоследствии. Эти факторы необходимо учитывать уже на начальном этапе проектирования.

В открытых источниках уплотнения делятся на статические и динамические (в зависимости от наличия относительного перемещения между уплотнением и деталями в рабочем состоянии). Акценты в проектировании для каждого типа существенно различаются. В данной статье рассматриваются исключительно статические уплотнения.

Содержимое

1. Принцип уплотнения и виды отказов

2. Конструктивное проектирование уплотнительного кольца

1. Виды отказов в различных состояниях

2. Контактное давление и длина контакта при LMC

3. Степень заполнения и локальные напряжения при MMC

3. Атмосферостойкость уплотнительных колец

1. Определение остаточной деформации сжатия

2. Как значение остаточной деформации при сжатии связано с давлением (степенью сжатия), температурой и временем старения

3. Быстрый метод оценки после старения

4. Область применения данной статьи и темы для будущих публикаций

1. Принцип уплотнения и виды отказов

Изделие создаёт уплотнение благодаря тому, что эластомер (уплотнительное кольцо) прижимается к контактной поверхности и препятствует прохождению газа или жидкости.

С точки зрения пути утечки, отказ уплотнения имеет две основные формы:

• Утечка по контакту: возникает между уплотнительным кольцом и контактной поверхностью при недостаточном прилегании. Жидкость или газ протекают вдоль контакта или зазора.

• Проникновение через материал: молекулы газа или жидкости проходят сквозь резиновый или пластиковый материал на молекулярном уровне.

На практике в инженерных задачах испытание на пузырьки под избыточным давлением обычно позволяет легче выявить крупные утечки по контакту. Потеря изоляции после выдержки в жидкости лучше подходит для оценки наличия утечки всего изделия на системном уровне.

Важное примечание: результаты испытаний не позволяют автоматически определить точный механизм отказа. Например, изделие может не выделять пузырьки при подаче избыточного давления, но терять электрическую изоляцию при вакууме. Это не доказывает, что имеет место проникновение через материал — возможны также утечки по границе контакта, локальные дефекты уплотнительного кольца или иные пути утечки.

2. Конструктивное проектирование уплотнительного кольца

В общедоступных руководствах по проектированию подчёркивается, что при разработке уплотнительного кольца необходимо комплексно учитывать степень сжатия, заполнение паза, растяжение/состояние монтажа, шероховатость поверхности и допуски. Недостаточное сжатие приводит к плохому контакту; чрезмерное сжатие может ускорить необратимую деформацию, повысить усилие сборки до недопустимого уровня или вызвать локальное повреждение.

Для инженерного проектирования можно использовать метод конечных элементов (МКЭ) для моделирования поведения уплотнительного кольца при растяжении, сборке и т. д., а надёжность оценивать по ключевым расчётным показателям. Ниже перечислены важнейшие пункты проверки.

Примечание: эти показатели являются инженерными косвенными индикаторами, а не прямыми измерениями самой утечки.

1. Виды отказов в различных состояниях

При проверке конструкции сначала убедитесь, что при различных комбинациях размеров и состояниях сборки не возникают очевидные режимы отказа, например:

• Обрушение уплотнительной кромки

• Заворачивание или зажим

• Локальное выдавливание

• Чётко выраженная аномальная концентрация напряжений

Этот этап позволяет определить, остаётся ли уплотнение в нормальном рабочем состоянии. Даже если номинальный процент сжатия выглядит приемлемо, надёжность может снизиться, если уплотнительная кромка обрушится или сморщится при экстремальной сборке.

2. Контактное давление и длина контакта при ММУ (условии наименьшего материала)

Для статических уплотнений ММУ (минимальный размер уплотнительного кольца в пределах допуска, максимальный зазор в канавке в пределах допуска) зачастую является наиболее слабым моментом, поскольку такая комбинация приводит к более лёгкому снижению контактного давления и длины контакта.

В поле соединителя опыт показывает, что при проектировании уплотнительного элемента из силиконовой резины начальные параметры должны обеспечивать положительное давление >500 кПа и длину контакта >0,6 мм. Это справочное значение, позволяющее достичь герметичности по воздуху 28 кПа после 1008 ч при температуре 125 °C (примерно соответствует глубине погружения в воду 3 м).

Дополнительные примечания:

① При необходимости также следует учитывать деформацию сопрягаемых деталей под действием силы.

② Давление контакта и длина контакта — это проверки на макроуровне; на микроуровне необходимо дополнительно учитывать каналы утечки, образующиеся из-за шероховатости поверхности.

3. Степень заполнения и локальные напряжения при ММС (условии максимального материала)

При ММС уплотнительное кольцо с большей вероятностью будет пережато. Обратите внимание на следующее:

• Слишком высокая степень заполнения поперечного сечения (должна оставаться ниже 100 %).

• Превышение локальными напряжениями предела прочности материала (должны оставаться ниже предела прочности резины при растяжении) и наличие тенденции к раздавливанию.

• Возможность выдавливания.

3. Атмосферостойкость уплотнительных колец

В первой части рассматривались характеристики уплотнительного кольца в новом состоянии, и метод конечных элементов (МКЭ) позволяет получить достаточно точные результаты для этого случая.

Однако резиновые материалы со временем подвержены необратимой остаточной деформации сжатия, релаксации напряжений, термоокислительному старению и снижению эксплуатационных свойств, поэтому контактное усилие в зоне уплотнения постепенно теряет своё первоначальное значение.

Успешное прохождение начальных проверок ещё не гарантирует надёжности изделия в конце срока службы. Факторы старения необходимо учитывать уже на этапе проектирования.

1. Определение остаточной деформации сжатия

Остаточная деформация сжатия является ключевым показателем, характеризующим способность резины сохранять эластичность после длительного сжатия.

Это означает, что после длительного сжатия и старения уплотнительного кольца при снятии нагрузки оно не может полностью восстановить свою исходную форму. Чем больше величина остаточной деформации сжатия, тем хуже способность к восстановлению и тем выше риск потери эффективного уплотнения в конце срока службы.

(В статье здесь приведена схема остаточной деформации сжатия.)

(В статье показана стандартная промышленная испытательная оснастка для определения остаточной деформации уплотнительного кольца — резиновый блок стандартного размера, помещённый между пластинами.)

2. Как значение остаточной деформации при сжатии связано с давлением (степенью сжатия), температурой и временем старения

Качественно три основных фактора — это давление (степень сжатия), температура и время.

(В статье приведён график зависимости остаточной деформации силиконовой резины VMQ от степени сжатия. Для VMQ как слишком малая, так и слишком большая степень сжатия не обеспечивают наилучших показателей долговременной эксплуатации.)

(Примечание: при очень слабом сжатии значение «процентной» остаточной деформации может выглядеть чрезмерно высоким.)

(В статье приведены графики остаточной деформации после старения при различных температурах — повышение температуры ухудшает способность материала к восстановлению.)

(В статье приведена приблизительная продолжительность срока службы различных уплотнительных материалов при различных температурах — исключительно для справки.)

(В статье приведён график зависимости остаточной деформации бутадиен-нитрильной резины (NBR) от времени старения.)

3. Быстрый метод оценки после старения

На практике в инженерных расчетах можно подставить значение стареющего коэффициента остаточной деформации сжатия в исходный проект, чтобы быстро проверить наличие достаточного запаса и оценить риск отказа к концу срока службы.

Пример: если исходная степень сжатия в проекте составляет 10 %, но после выдержки в течение 1008 ч при температуре 125 °C коэффициент остаточной деформации сжатия достигает 17 %, то после старения уплотнение, скорее всего, выйдет из строя. Следует увеличить исходную степень сжатия или выбрать резину с лучшими характеристиками по остаточной деформации сжатия.

Примечание: данный метод подходит для быстрой проверки или оценки тенденций, но не для прямого прогнозирования конечной скорости утечки.

4. Область применения данной статьи и темы для будущих публикаций

В данной статье представлена качественная методология проектирования уплотнений; однако многие темы пока не рассмотрены, например взаимосвязь между шероховатостью поверхности и герметичностью, влияние низких температур на эксплуатационные характеристики уплотнений, количественные методы определения скорости утечки, а также построение температурно-временных моделей старения.

References

[1] Parker Hannifin Corporation. Справочник по уплотнительным кольцам Parker: ORD 5700 [M]. Кливленд, штат Огайо: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] ЦЯН И Х., СЯО Х. Ч., НИ М. Х. и др. Прогнозирование срока службы нитрильного каучука под действием сжимающих напряжений в трансформаторном масле [C] // Труды 5-й Международной конференции по измерениям, приборостроению и автоматизации (ICMIA 2016). Париж: Atlantis Press, 2016. С. 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.