O-rings "môžu" zabezpečiť rotujúce tesnenie, avšak zvyčajne by nemali byť prvou voľbou pre nepretržité rotujúce tesnenie hriadeľa

Najprv objasníme kľúčový bod: ak je O-ring namontovaný na koncovom kryte, prírube, skrini, zátky a podobne, a medzi tesniacimi plochami neexistuje žiadny relatívny pohyb, ide stále o statické tesnenie; tento scenár sa pre O-krúžky používa správne. Čo skutočne vyžaduje opatrnosť je:

Vnútorný priemer O-krúžku, ktorý tesne obopína rotujúci hriadeľ, alebo vonkajší priemer, ktorý má relatívne šmykové pohyby voči rotujúcemu otvoru – teda použitie O-krúžku ako rotujúceho dynamického tesnenia.

Podstatou O-krúžku je tesniaca súčiastka, ktorá vytvára kontaktový tlak prostredníctvom „stlačenia a deformácie“; základom tesnení rotujúcich hriadenov je „udržiavanie olejovej vrstvy pri kontrolovanej kontaktovom tlaku, zníženie trenia a tepelného vývinu a kompenzácia opotrebovania a obehového chybovania hriadeľa.“ Tieto dva návrhové princípy nie sú úplne kompatibilné.

1. Najväčší problém je teplo vznikajúce trením

Keď O-krúžok slúži na tesnenie rotujúceho hriadeľa, hriadeľ prechádza cez vnútorný priemer O-krúžku a vnútorný povrch O-krúžku je dlhodobo v kontakte s rotujúcim hriadeľom. Pokyny Apple Rubber na návrh O-krúžkov jasne uvádzajú, že prevádzka v rotujúcom režime spôsobuje na vnútornom priemere O-krúžku neustále trenie a teda vznik tepla, keďže samotný gumový elastomér má nízku odolnosť voči teplu; ak rýchlosť vzniku tepla presahuje rýchlosť jej odvádzania, môže dôjsť k zlyhaniu O-krúžku.

Preto nie je postačujúce, ak zákazníci kladia len otázku „ako vysoká je rýchlosť rotácie“ – je potrebné posúdiť aj priemer hriadeľa a rýchlosť rotácie.

Napríklad pri hriadele s priemerom 30 mm a otáčkach 1000 ot./min je povrchová rýchlosť približne 1,57 m/s; pri hriadele s priemerom 50 mm a otáčkach 1500 ot./min je povrchová rýchlosť približne 3,93 m/s. Čím je priemer hriadeľa väčší, tým vyššie je trenie a teplo vznikajúce pri rovnakých otáčkach.

Parker vysvetlenie autora o opotrebení dynamického tesnenia O-krúžkom tiež uvádza, že dynamické tesniace O-krúžky sú zvýšene náchylné na opotrebovanie a trenie, pričom trenie súvisí s tlakom na kontakte povrchu a zvýšením teploty v oblasti kontaktu tesnenia.

2. O-krúžky nemajú konštrukciu umožňujúcu kontrolu olejovej vrstvy pre „rotujúcu perinu“.

Kovové olejové tesniace kruhy, radiálne hriadeľové tesniace kruhy, PTFE tesniace kruhy s perinou a iné rotujúce tesniace komponenty majú za základnú hodnotu nielen „zabránenie úniku oleja“, ale aj neustále vytváranie kontrolovateľnej oblasti kontaktu prostredníctvom geometrie periny, sily kontaktu a štruktúry so stlačenou pružinou alebo predpätím.

Údaje o technológii rotujúcich tesniacich krúžkov spoločnosti Freudenberg vysvetľujú: po dôkladnom navrhnutí otváracieho uhla ústenia sa vytvorí olejový film prostredníctvom axiálneho uhla a radially rozloženej sily pružinového tyče, čo vedie k nesymetrickej distribúcii kontaktového tlaku; prostredníctvom mikrodeformácie okraja ústenia po behu sa vytvorí efekt vrátenia oleja alebo tzv. „mikročerpania“, ktorý je veľmi dôležitý pre funkciu tesnenia.

O-krúžky jednoducho majú svoj kruhový prierez stlačený na hriade. Nemajú špeciálne navrhnutý uhol sklonu oleja, uhol sklonu vzduchu, vrátenie oleja ani geometriu pružne zaťaženého okraja ústenia. Výsledkom je: mazací film je ťažšie stabilizovať, trenie je menej kontrolovateľné a kontaktový tlak sa tiež ľahko mení v závislosti od tlaku, teploty, nesústredenosti a výkyvov hriadeľa.

Preto sa tiež olejové tesnenia, ústne tesnenia, V-krúžky a mechanické tesnenia koncových plôšok nezávisle označujú ako riešenia pre rotačné tesnenie. Trelleborg definuje rotačné hriadeľové tesnenia ako komponenty používané na tesnenie kvapalín v rotujúcich alebo kmitavých častiach, pričom zároveň bránia vnikaniu prachu, vody a iných vonkajších kontaminantov; jeho výrobná línia zahŕňa radiálne olejové tesnenia, radiálne/hriadeľové olejové tesnenia, O-krúžkom aktivované PTFE rotačné tesnenia, V-krúžky a mechanické tesnenia koncových plôšok atď.

3. Nedostatočné mazanie rýchlo zvyšuje opotrebenie

Rotačné tesnenie nie je jednoduchou záležitosťou „gumy prilepenej na kov“. Akonáhle dochádza ku kontaktnej treniu, je potrebné mazanie a odvod tepla.

Materiály Freudenberga pre rotujúce hriadeľové tesnenia jasne zdôrazňujú: dôležitosť dostatočného mazania tesnenia pre životnosť a spoľahlivosť je veľmi vysoká; čím je mazanie dostatočnejšie, tým je opotrebenie nižšie. Rovnaký materiál tiež ukazuje, že parametre ovplyvňujúce radiálnu silu a stav mazania ovplyvňujú aj trenie pri tesnení.

Pri použití O-krúžkov na rotujúce hriadele sa bežne vyskytuje nesprávne predpokladanie: „pri montáži stačí trochu maziva.“ V skutočnosti počiatočné nanesenie maziva rieši len štartovaciu fázu a nedokáže zaručiť dlhodobo stabilný olejový film. Najmä pri dlhodobom prevádzkovom režime O-krúžok ľahko prechádza do hraničného mazania alebo dokonca do suchého trenia.

4. Skrúcanie, valčekovanie a „špirálové poškodenie“ sú typickými rizikami dynamických tesnení O-krúžkov

Prierez O-krúžku je kruhový a pri dynamických tesneniach je ľahko ovplyvnený nerovnomernou trením, čo vedie k lokálnemu valčekovaniu a skrúcaniu. Analýza spoločnosti Parker o príčinách špirálového poškodenia O-krúžkov zahŕňa: nesústredenosť dielu, excentricitu, hrubý povrchový povlak, nedostatok maziva alebo jeho úplný nedostatok, príliš mäkký materiál, nevhodný pomer prierezu ku vnútornému priemeru a nesprávne natiahnutie pri montáži; preventívne opatrenia zahŕňajú zníženie nesústredenosti a excentricity, zníženie odchýlok prierezu, zabezpečenie vhodnej kvality povrchu, použitie tvrdšieho materiálu a vhodného pomeru prierezu ku vnútornému priemeru.

Tento problém je výraznejší na rotujúcich hriadoch. Ideálny stav je nasledovný: O-krúžok upevnený v drážke vykonáva relatívny pohyb iba vo vnútornom priemere. V praxi sa však v prípade nevhodného návrhu drážky, povrchovej drsnosti, prekročenia množstva stlačenia alebo nedostatočného mazania môže O-krúžok „ťahať po hriadeli“, skrúcať sa a čiastočne sa kotúľať v drážke, čo sa nakoniec prejaví ako:

Apple Rubber zvlášť zdôrazňuje pri návrhu rotačných O-prsteňov, že rotujúce alebo oscilujúce aplikácie by sa mali vyhnúť natiahnutiu O-prsteňa na hriadeli; elastomér vystavený roztiahnutému tepu môže spôsobiť zmenšenie, to je Jouleov efekt, čím sa zvyšuje riziko kontaktu

5. - Čo? Neobrátený, výtok z hriadeľa a excentricita môžu viesť k strate kontroly tlaku kontaktu O-ring

Otočné hriadeľové tesniace kruhy musia zvládnuť výstrednosť hriadeľa, súosost, drsnosť povrchu hriadeľa, jeho tvrdosť a radiaľnu dynamickú výrobnú chybu. Kostróvky na olej často majú tvar ústika a pružinovú podporu, čo im umožňuje kompenzovať v určitom rozsahu radiaľne posunutie a udržiavať tesnenie. Údaje spoločnosti Freudenberg uvádzajú, že radiaľna sila tesniaceho kruhu pochádza z poklesovej sily v namontovanom stave a z pružiny; návrh má za cieľ znížiť radiaľnu silu, aby sa znížilo trenie a opotrebovanie, avšak táto sila musí byť dostatočná na zabezpečenie tesnenia.

O-krúžky nemajú túto špeciálnu pružinovú konštrukciu. Ak je os výstredná, stlačenie na jednej strane je príliš veľké, čo spôsobuje vznik tepla a zvýšenie opotrebenia; na druhej strane je stlačenie nedostatočné, čo môže viesť k úniku. V ochrannom návrhu Apple Rubber pre rotujúce O-krúžky sa tiež uvádza, že relatívny pohyb by mal vznikať iba medzi vnútorným priemerom O-krúžku a rotujúcim hriadeľom, a to sa musí zabrániť kontrolou súososti hriadeľa, povrchového spracovania hriadeľa a stavu povrchu drážky.

6. Kedy je možné použiť O-krúžky ako rotujúce tesnenia?

Je to možné, avšak okrajové podmienky musia byť prísne a ich splnenie sa odporúča overiť skutočným životnostným testovaním. Relatívne vhodné scenáre zahŕňajú:

Odporúčania Apple Rubber pre návrh rotujúcich O-krúžkov uvádzajú opatrenia na zníženie rizika poruchy, napríklad zvýšenie prietoku kvapaliny na odvod tepla, výber kvalitného samomazného materiálu, obmedzenie tlaku, vyhnutie sa extrémnym teplotám a snaženie sa udržať mazaciu kvapalinu čo najbližšie. V ich údajoch sa uvádza hodnota 180 stôp za minútu na povrchovej rýchlosti ako hranica, ktorá vyžaduje špeciálne konštrukčné opatrenia v mechanickom návrhu, aby sa zabránilo tejto konkrétnej situácii; táto hodnota zodpovedá približne 0,91 m/s; tieto hodnoty sa majú chápať ako orientačné pre konkrétny návrh, nie ako univerzálne limity pre všetky materiály a všetky konštrukčné kombinácie.

7. Kedy by sa nemali O-krúžky uprednostňovať?

Nasledujúce situácie odporúčajú priamo použiť kostróvne olejové tesnenia, V-krúžky, tesniace pery, PTFE rotačné tesnenia alebo mechanické tesnenia:

8. Ako vybrať rôzne alternatívne riešenia?

Kostróvé olejové tesnenie / radiálne tesnenie hriadeľa

Vhodné pre väčšinu bežných rotujúcich hriadeľov: prevodovky, motory, čerpadlá, náboje kolies, poľnohospodárske stroje, stavebné stroje. Jeho výhodou je zrelá konštrukcia, kontrolovateľná cena a štandardizovaná inštalácia; poskytuje udržiavanie oleja, ochranu pred prachom a relatívne stabilný kontakt prostredníctvom tesniaceho okraja a pružinovej údržby. Technický popis radiálnych tesnení hriadeľa od spoločnosti Freudenberg uvádza, že dôležitými požiadavkami na radiálne tesnenia hriadeľa sú spoľahlivé tesnenie, vysoká spoľahlivosť, kompatibilita s médiou, nízke trenie a jednoduchá inštalácia.

V-krúžok

Používa sa na ochranu pred prachom, odolnosť voči bahnu a vode, vodotesnosť, axiálne tesnenie koncových plôch a ochranu pred vonkajším znečistením. V-krúžky sa zvyčajne otáčajú spolu s hriadeľom a ich ústie sa axiálne dotýka pevnej koncovej plochy; nie sú vhodné na vysoke tlakové rozdiely, ale sú veľmi vhodné na pomocnú vonkajšiu ochranu alebo pomocné tesnenie.

Ústové tesnenie / PTFE rotujúce tesnenie

Používa sa pri vysokých rýchlostiach, nízkom trení, vysokých teplotách, chemických médiách, nízkom úniku alebo v priestorovo obmedzených situáciách. Najmä PTFE rotujúce tesnenia napájané O-krúžkom – v podstate nie je to priamo „holý O-krúžok proti hriadeľu“, ale O-krúžok poskytuje elastické predpätie a PTFE ústie je zodpovedné za vytvorenie trenia s rotujúcim hriadeľom. Produktová rada rotujúcich tesnení spoločnosti Trelleborg skutočne zahŕňa PTFE rotujúce tesnenia napájané O-krúžkom.

Mechanická pečat

Vhodné pre čerpadlá, miešače, kompresory a iné rotujúce zariadenia, ktoré vyžadujú vyššie požiadavky na tesnenie proti úniku, tlaku, korozívnym médiám alebo dlhodobý prevádzkový režim. Tesnenie sa zabezpečuje prostredníctvom trecích párov koncových plôšok, nie priamo gumovým krúžkom, ktorý sa trecie o rotujúci hriadeľ. O-krúžky sa vo výrobkoch mechanického tesnenia môžu používať, ale zvyčajne ako pomocné statické tesnenia alebo kompenzačné tesnenia, nie zvyčajne ako hlavné rotačné trecie tesnenie.

9. Parametre, ktoré je potrebné spýtať pri dopytovaní alebo technickej dohode s klientmi

Pred posúdením, či je možné použiť O-krúžok pre rotačné tesnenie, je potrebné aspoň potvrdiť nasledujúce informácie:

10. Zhrnutie kľúčových názorov

O-krúžky nie sú nezáhodné pre rotačné tesnenie, avšak nie je vhodné ich predvolene považovať za hlavné rotačné hriadeľové tesnenie. Ich hlavné riziká sa sústreďujú na: trenie a teplo, nedostatočné mazanie, skrútenie/valivý pohyb, opotrebovanie a poškodenie povrchu, nerovnomerný kontakt spôsobený skokom hriadeľa, trvalú deformáciu stlačením a nestabilnú životnosť.

Zdravší inžiniersky princíp je:

Pre statické tesnenie má prednosť O-krúžok; pre nepretržité rotačné hriadele majú prednosť tesniace perá, kostróvate olejové tesnenia, V-tesnenia alebo mechanické tesnenia; samostatné O-krúžky sa používajú len v prípadoch nízkej rýchlosti, nízkeho tlaku, dostatočného mazania a overiteľných rizík.