Produktutformning — Utformning av statiskt tätningslager

Kärnan i tätningsdesign är att säkerställa att produkten, genom de sammansatta effekterna av konstruktion, toleranser, material och andra faktorer, blockerar alla läckvägar under hela sin livslängd.

Om du endast kontrollerar tätningen när den är helt ny och ignorerar faktorer som t.ex. toleranser för tätringar, deltoleranser eller hur tätningen fungerar efter åldring kan det lätt uppstå läckage senare. Dessa faktorer måste beaktas redan från början av designprocessen.

Offentlig information delar in tätningar i statiska tätningar och dynamiska tätningar (om det finns relativ rörelse mellan tätningen och delarna vid drift). Designfokus skiljer sig åt markant för varje typ. Den här artikeln behandlar endast statiska tätningar.

Innehåll

1. Tätningsprincip och felmoder

2. Konstruktion av tätringens struktur

1. Felmoder i olika tillstånd

2. Kontakttryck och kontaktlängd vid LMC

3. Fyllnadsgrad och lokal spänning vid MMC

3. Väderbeständighet hos tätringar

1. Definition av kompressionsdeformation

2. Hur tryckdeformation (kompressionsgrad) relaterar sig till tryck, temperatur och åldringstid

3. Snabb utvärderingsmetod efter åldring

4. Omfattning av denna artikel och framtida ämnen

1. Tätningsprincip och felmoder

Ett produkt bildar en tätning eftersom elastomeren (tätningsslingan) trycks mot kontaktytan och hindrar gas eller vätska från att passera igenom.

Från synvinkeln av läckvägen finns det två huvudsakliga former av tätningssvikt:

• Gränsyteläcka: Inträffar mellan tätningsslingan och kontaktytan när passningen inte är tillräckligt bra. Fluiden strömmar längs gränsytan eller genom sprickan.

• Materialpermeation: Gas- eller vätskemolekyler passerar genom själva gummi- eller plastmaterialet på molekylär nivå.

I verklig teknisk tillämpning upptäcker vanligen den positivtrycksbubbeltestet större gränsyteläckor lättare. Isoleringsbortfall efter nedsänkning är bättre för att bedöma om hela produkten läcker på systemnivå.

Viktigt notering: Testresultat visar inte automatiskt den exakta felmekanismen. Till exempel kan en produkt visa inga bubblor vid positivt tryck men ändå misslyckas med isoleringen vid negativt tryck. Detta bevisar inte att det är materialgenomträngning — det kan fortfarande vara en läckage vid gränsytan, lokala defekter i tätningsslingan eller en annan läckväg.

2. Konstruktion av tätringens struktur

Offentliga designguider betonar alla att man vid utformning av en tätningsslinga måste bedöma sammanpressningsmängd, urgrävningens fyllnad, sträckning/monteringsläge, ytyta och toleranser tillsammans. För liten sammanpressning innebär dålig kontakt; för stor sammanpressning kan öka permanent deformation, göra monteringskraften för hög eller orsaka lokal skada.

För ingenjörsdesign kan du använda finita elementanalys (FEA) för att simulera tätningsslingan under sträckning, montering osv. och bedöma tillförlitligheten med hjälp av nyckeltal. De viktiga granskningspunkterna finns nedan.

Obs: Dessa tal är ingenjörsmässiga indirekta indikatorer, inte direkta mätningar av läckage själva.

1. Felmoder i olika tillstånd

Under strukturgranskning, kontrollera först om uppenbara felmoder uppstår vid olika storlekskombinationer och monteringsstater, till exempel:

• Tätningsläppens kollaps

• Krullning eller klämning

• Lokal extrusion

• Tydlig onormal spänningskoncentration

Detta steg visar om tätningen fortfarande befinner sig i normal drift. Även om den nominella kompressionsgraden verkar rimlig kan tillförlitligheten ändå minska om tätningsläppen kollapsar eller veckas vid extrem montering.

2. Kontakttryck och kontaktlängd vid LMC (minsta materialmängd)

För statiska tätningar är LMC (tätningsringens storlek vid minsta toleransgräns, spaltens bredd i urgraven vid största toleransgräns) ofta den svagaste punkten, eftersom denna kombination lättare leder till minskat kontakttryck och kortare kontaktlängd.

I anslutningsfältet visar erfarenheten att den ursprungliga konstruktionen för silikongummi bör syfta till ett positivt tryck >500 kPa och en kontaktlängd >0,6 mm. Detta är ett referensvärde som kan uppfylla lufttäthet på 28 kPa efter 1008 h vid 125 °C (ungefär motsvarar 3 m vattendjup).

Ytterligare anteckningar:

① Om det behövs bör man även ta hänsyn till deformation av de sammanfogade delarna under påverkan av kraft.

② Kontakttryck och kontaktlängd är kontroller på makronivå; på mikronivå måste man fortfarande överväga läckkanaler som bildas av ytråhet.

3. Fyllnadsgrad och lokal spänning vid MMC (Maximum Material Condition)

Vid MMC är det mer sannolikt att tätningsringen blir överkomprimerad. Fokusera på:

• Om tvärsnittsfyllnadsgraden är för hög (måste ligga under 100 %).

• Om den lokala spänningen överskrider vad materialet kan hantera (måste ligga under gummits draghållfasthet) och visar tendens till krossning.

• Om det finns risk för extrudering.

3. Väderbeständighet hos tätringar

Den tidigare delen behandlade tätringens prestanda när den var ny, och FEA kan ge ganska exakta resultat för detta.

Men gummimaterial lider av permanent tryckdeformation, spänningsrelaxation, termisk åldring och minskning av egenskaper över tid, så att tätningsgränsytan gradvis förlorar sin ursprungliga kontaktkraft.

Att klara de inledande kontrollerna innebär inte att komponenten fortfarande kommer att vara pålitlig vid livslängdens slut. Du måste ta hänsyn till åldringseffekter redan från designens början.

1. Definition av kompressionsdeformation

Tryckdeformation är en nyckelindikator för att bedöma hur väl gummi behåller sin elasticitet efter långvarig kompression.

Det innebär att efter att tätringen har varit under tryck och åldrats under en längre tid återgår den inte fullständigt till sin ursprungliga form när trycket tas bort. Ju större tryckdeformationen är, desto sämre är återställningsförmågan och desto högre är risken för att förlora effektiv tätningskontakt vid livslängdens slut.

(Artikeln visar här en diagram över tryckdeformation.)

(Artikeln visar den standardiserade industriella provanordningen för tryckdeformation av tätningringar – en gummiplatta i standardstorlek placerad mellan plattor.)

2. Hur tryckdeformation (kompressionsgrad) relaterar sig till tryck, temperatur och åldringstid

Kvalitativt är de tre huvudsakliga faktorerna tryck (kompressionshastighet), temperatur och tid.

(Artikeln visar en graf över tryckdeformation för VMQ-silikongummi i förhållande till kompressionshastighet. För VMQ ger alltför liten eller alltför stor kompression inte bästa långtidsegenskaper.)

(Obs: När kompressionen är mycket lätt kan "procenttalet" för tryckdeformation se mycket högt ut.)

(Artikeln visar grafer över tryckdeformation efter åldring vid olika temperaturer – högre temperatur försämrar återställningsförmågan.)

(Artikeln visar ungefärlig driftlivslängd för olika tätningmaterial vid olika temperaturer – endast som referens.)

(Artikeln visar en graf över tryckdeformation för NBR-gummi i förhållande till åldringstid.)

3. Snabb utvärderingsmetod efter åldring

I ingenjörspraxis kan du mata in det åldrade värdet för tryckdeformationen i den ursprungliga konstruktionen för att snabbt kontrollera om du har tillräckligt med marginal och bedöma risken för fel vid livslängdens slut.

Exempel: Om den ursprungliga konstruerade tryckhastigheten är 10 %, men efter 1008 h vid 125 °C blir tryckdeformationen 17 %, så är det mycket troligt att tätningsringen kommer att misslyckas efter åldring. Du bör öka den ursprungliga tryckhastigheten eller välja en gummityp med bättre prestanda vad gäller tryckdeformation.

Obs: Denna metod är lämplig för snabba kontroller eller trendbedömningar, inte för direkt förutsägelse av den slutliga läckhastigheten.

4. Omfattning av denna artikel och framtida ämnen

Den här artikeln ger en kvalitativ ram för tätningskonstruktion, men många ämnen behandlas ännu inte, till exempel sambandet mellan ytråhet och täthet, effekten av låg temperatur på tätningsprestanda, kvantitativa metoder för läckhastighet samt utveckling av temperatur-åldringssammanpassningsmodeller.

Referenser

[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. Livslängdsprognos för nitrilkautschuk under tryckspänning i transformatorolja[C]//Proceedings of the 2016 5th International Conference on Measurement, Instrumentation and Automation (ICMIA 2016). Paris: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.