Návrh výrobku — návrh statického tesnenia

Jadro návrhu tesnení je zabezpečiť, aby výrobok prostredníctvom kombinovaného účinku konštrukcie, tolerancií, materiálov a iných faktorov po celú dobu svojej životnosti uzatvoril všetky cesty úniku.

Ak kontrolujete tesnenie iba v novom stave a ignorujete faktory, ako sú napríklad tolerancie tesniaceho krúžku, tolerancie súčiastok alebo správanie tesnenia po starnutí, môžete neskôr ľahko naraziť na úniky. Tieto faktory je potrebné brať do úvahy už od začiatku návrhu.

Všeobecne dostupné informácie delia tesnenia na statické a dynamické tesnenia (podľa toho, či medzi tesnením a súčiastkami pri prevádzke dochádza k relatívnemu pohybu). Zameranie návrhu pre každý typ je veľmi odlišné. Tento článok sa zaoberá iba statickými tesneniami.

Obsah

1. Zásady tesnenia a spôsoby poruchy

2. Návrh konštrukcie tesniaceho krúžku

1. Spôsoby poruchy v rôznych stavoch

2. Kontaktný tlak a dĺžka kontaktu pri LMC

3. Miera vyplnenia a lokálne napätie pri MMC

3. Odolnosť tesniacich krúžkov voči poveternostným vplyvom

1. Definícia stlačiteľného deformácie

2. Ako sa kompresná deformácia vzťahuje k tlaku (mierke kompresie), teplote a času starnutia

3. Rýchla metóda vyhodnotenia po starnutí

4. Rozsah tohto článku a budúce témy

1. Zásady tesnenia a spôsoby poruchy

Výrobok vytvára tesnenie preto, lebo elastomér (tesniaci krúžok) je pritlačený na kontaktový povrch a zabraňuje tak prechodu plynu alebo kvapaliny.

Z hľadiska cesty úniku má zlyhanie tesnenia dve hlavné formy:

• Únik cez rozhranie: Vzniká medzi tesniacim krúžkom a kontaktovým povrchom, ak nie je dosiahnuté dostatočné priliehanie. Kvapalina preteká pozdĺž rozhrania alebo medzery.

• Priepustnosť materiálu: Molekuly plynu alebo kvapaliny prechádzajú samotným gumovým alebo plastovým materiálom na molekulárnej úrovni.

V reálnych inžinierskych aplikáciách sa veľké úniky cez rozhranie zvyčajne ľahšie odhalia pomocou testu bubliniek pri kladnom tlaku. Porucha izolácie po namočení je vhodnejšia na posúdenie toho, či celý výrobok únikuje na úrovni systému.

Dôležitá poznámka: Výsledky testov neznamenajú automaticky presný mechanizmus poruchy. Napríklad výrobok môže pri kladnom tlaku nezobrazovať žiadne bubliny, avšak pri zápornom tlaku môže zlyhať izolácia. To nepreukazuje, že ide o prenikanie materiálu – stále by to mohla byť netesnosť na rozhraní, lokálne defekty tesniaceho krúžku alebo iná cesta úniku.

2. Návrh konštrukcie tesniaceho krúžku

Všeobecné návody na návrh zdôrazňujú, že pri navrhovaní tesniaceho krúžku je potrebné súčasne brať do úvahy množstvo stlačenia, vyplnenie drážky, stav natiahnutia/inštalácie, povrchovú úpravu a tolerancie. Príliš malé stlačenie spôsobuje zlé kontaktovanie; príliš veľké stlačenie môže urýchliť trvalú deformáciu, zvýšiť montážnu silu nad prípustnú hodnotu alebo spôsobiť lokálne poškodenie.

Pre technický návrh môžete použiť metódu konečných prvkov (FEA) na simuláciu správania sa tesniaceho krúžku pri natiahnutí, montáži atď. a posúdiť spoľahlivosť na základe kľúčových číselných ukazovateľov. Nižšie sú uvedené dôležité položky na kontrolu.

Poznámka: Tieto čísla sú inžinierskymi ukazovateľmi (tzv. proxy ukazovateľmi), nie priamymi meraniami samotného úniku.

1. Spôsoby poruchy v rôznych stavoch

Počas prehľadu štruktúry najprv skontrolujte, či sa pri rôznych kombináciách rozmerov a montážnych stavoch objavujú zrejmé režimy poruchy, napríklad:

• Zrútenie tesniacej perky

• Svinutie alebo stlačenie

• Lokálna extrúzia

• Jednoznačné nezvyčajné miesta koncentrácie napätia

Tento krok vám ukáže, či je tesnenie stále v normálnom prevádzkovom stave. Aj keď vyzerá menovitá miera stlačenia v poriadku, spoľahlivosť sa môže znížiť, ak sa tesniaca perka zrúti alebo zloží pri extrémnej montáži.

2. Kontaktný tlak a dĺžka kontaktu pri LMC (najmenšej materiálnej podmienke)

Pri statických tesneniach je LMC (rozmer tesniaceho krúžku v minimálnej tolerancii, medzera v drážke v maximálnej tolerancii) často najslabším bodom, pretože táto kombinácia spôsobuje ľahší pokles kontaktného tlaku a dĺžky kontaktu.

V oblasti spojky ukazujú skúsenosti, že pri silikónovom gumovom materiáli by sa počiatočný návrh mal zamerať na kladný tlak > 500 kPa a dĺžku kontaktu > 0,6 mm. Ide o referenčnú hodnotu, ktorá zabezpečuje tesnosť voči vzduchu 28 kPa po dobu 1008 h pri teplote 125 °C (približne zodpovedá hĺbke vody 3 m).

Dodatočné poznámky:

① V prípade potreby zvážte tiež deformáciu súbežných častí pôsobením sily.

② Kontaktný tlak a dĺžka kontaktu sú kontrolné parametre na makroúrovni; na mikroúrovni je stále potrebné premýšľať o únikových kanáloch vznikajúcich v dôsledku povrchovej drsnosti.

3. Miera vyplnenia a lokálne napätie pri MMC (stave maximálneho materiálu)

Pri MMC je tesniaci krúžok viac náchylný na nadmerné stlačenie. Zamerajte sa na nasledovné body:

• Či je miera vyplnenia prierezu príliš vysoká (musí zostať pod 100 %).

• Či lokálne napätie presahuje únosnosť materiálu (musí zostať pod ťahovou pevnosťou gumy) a či sa prejavuje tendencia k rozdávaniu.

• Či existuje riziko extrúzie.

3. Odolnosť tesniacich krúžkov voči poveternostným vplyvom

Predchádzajúca časť sa zaoberala výkonom tesniaceho krúžku v novom stave a metóda konečných prvkov (FEA) dokáže pre tento prípad poskytnúť pomerne presné výsledky.

Ale gumové materiály postupne trpia trvalou deformáciou po stlačení, relaxáciou napätia, tepelným starnutím a poklesom vlastností, takže tesniaca rozhranie postupne stráca pôvodnú kontaktnú silu.

Úspešné absolvovanie počiatočných skúšok neznamená, že bude tesnenie stále spoľahlivé na konci životnosti. Faktory starnutia je potrebné zohľadniť už od začiatku návrhu.

1. Definícia stlačiteľného deformácie

Trvalá deformácia po stlačení je kľúčovým ukazovateľom, ktorý posudzuje, ako dobre si gumový materiál udržíva svoju pružnosť po dlhodobom stlačení.

Znamená to, že po dlhodobom stlačení a starnutí tesniaceho krúžku sa po odstránení tlaku nedokáže úplne vrátiť do pôvodného tvaru. Čím je trvalá deformácia po stlačení väčšia, tým je schopnosť obnovy horšia a tým vyššie je riziko straty účinného tesniaceho kontaktu na konci životnosti.

(V článku sa tu nachádza diagram trvalej deformácie po stlačení.)

(Článok zobrazuje štandardné priemyselné skúšobné zariadenie na meranie kompresného poklesu tesniacich krúžkov – štandardný kus gumy umiestnený medzi doskami.)

2. Ako sa kompresná deformácia vzťahuje k tlaku (mierke kompresie), teplote a času starnutia

Kvalitatívne sú to tri hlavné faktory: tlak (miera kompresie), teplota a čas.

(Článok zobrazuje graf kompresného poklesu kremíkovej gumy VMQ v závislosti od miery kompresie. Pri VMQ je pre dlhodobý výkon najvhodnejšia stredná miera kompresie – príliš nízka alebo príliš vysoká kompresia nie je optimálna.)

(Poznámka: Pri veľmi malej kompresii sa hodnota „percentuálneho“ kompresného poklesu môže zdať veľmi vysoká.)

(Článok zobrazuje grafy kompresného poklesu po starnutí pri rôznych teplotách – vyššia teplota spôsobuje horšiu schopnosť obnovy.)

(Článok zobrazuje približnú životnosť rôznych tesniacich materiálov pri rôznych teplotách – len pre orientačné účely.)

(Článok zobrazuje graf kompresného poklesu gumy NBR v závislosti od doby starnutia.)

3. Rýchla metóda vyhodnotenia po starnutí

V inžinierskej praxi môžete hodnotu starnutia kompresného súboru (compression set) znovu dosadiť do pôvodného návrhu, aby ste rýchlo skontrolovali, či máte dostatok bezpečnostnej rezervy, a posúdili riziko poruchy na konci životnosti.

Príklad: Ak je počiatočná kompresná miera návrhu 10 %, ale po 1008 h pri teplote 125 °C sa kompresný súbor zvýši na 17 %, potom je po starnutí tesniaceho kruhového krúžku (O-ringu) veľmi pravdepodobná porucha. Mali by ste zvýšiť počiatočnú kompresnú mieru alebo zvoliť gumu s lepšími vlastnosťami kompresného súboru.

Poznámka: Táto metóda je vhodná na rýchle kontrolné prehliadky alebo posúdenie trendov, nie však na priame predpovedanie konečnej rýchlosti úniku.

4. Rozsah tohto článku a budúce témy

Tento článok poskytuje kvalitatívny rámec pre návrh tesnení, avšak mnoho tém ešte nebolo pokryté, napríklad vzťah medzi drsnosťou povrchu a tesnením, vplyv nízkych teplôt na výkon tesnení, kvantitatívne metódy určovania rýchlosti úniku a vytváranie modelov teplotného starnutia pomocou regresnej analýzy.

Zdroje

[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. Predikcia životnosti akrylonitril-butadiénového kaučuku (NBR) pri tlakovom zaťažení v transformátorovom oleji [C] // Zborník príspevkov 5. medzinárodnej konferencie o meraniach, prístrojoch a automatizácii (ICMIA 2016). Paríž: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.