Ürün Tasarımı — Statik Conta Tasarımı

Conta tasarımının temeli, ürünün tüm kullanım ömrü boyunca yapı, toleranslar, malzemeler ve diğer faktörlerin birlikte etkisiyle tüm sızıntı yollarını engellemesini sağlamaktır.

Contayı yalnızca tamamen yeni iken kontrol ederseniz ve conta halkası toleransları, parça toleransları veya conta yaşlanduktan sonraki performansı gibi unsurları göz ardı ederseniz, daha sonra kolayca sızıntılar oluşabilir. Bu faktörleri tasarımı başlatırken hemen baştan göz önünde bulundurmalısınız.

Kamuya açık bilgiler, contaları statik contalar ve dinamik contalar olmak üzere ikiye ayırır (çalışma sırasında conta ile parçalar arasında göreli hareket olup olmadığına göre). Her biri için tasarım odak noktası oldukça farklıdır. Bu makale yalnızca statik contaları ele alır.

İçerik

1. Contalama İlkesi ve Arıza Modları

2. Conta Halkası Yapı Tasarımı

1. Farklı Durumlardaki Arıza Modları

2. LMC Altında Temas Basıncı ve Temas Uzunluğu

3. MMC Altında Dolgu Oranı ve Yerel Gerilme

3. Conta Halkalarının Hava Koşullarına Dayanıklılığı

1. Sıkıştırma Seti Tanımı

2. Sıkıştırma Seti ile Basınç (Sıkıştırma Oranı), Sıcaklık ve Yaşlandırma Süresi Arasındaki İlişki

3. Yaşlandıktan Sonra Hızlı Değerlendirme Yöntemi

4. Bu Makalenin Kapsamı ve Gelecekte Ele Alınacak Konular

1. Contalama İlkesi ve Arıza Modları

Bir ürün, elastomerden (conta halkası) oluşan bir sızdırmazlık oluşturur çünkü conta halkası temas yüzeyine bastırılır ve gaz veya sıvının geçmesini engeller.

Sızıntı yolu açısından bakıldığında, conta arızaları iki ana biçime sahiptir:

• Arayüz sızıntısı: Conta halkası ile temas yüzeyi arasındaki uyum yetersiz olduğunda oluşur. Akışkan, arayüz boyunca veya açıklıkta akar.

• Malzeme geçirgenliği: Gaz veya sıvı molekülleri, kauçuk veya plastik malzemenin kendisi içinden moleküler düzeyde geçer.

Gerçek mühendislik uygulamalarında pozitif basınçlı kabarcık testi genellikle büyük arayüz sızıntılarını daha kolay tespit eder. Baskın sonrası yalıtım başarısızlığı ise ürünün sistemi düzeyinde tamamında sızdırıp sızdırmadığını değerlendirmek için daha uygundur.

Önemli not: Test sonuçları, otomatik olarak kesin arıza mekanizmasını size göstermez. Örneğin, bir ürün pozitif basınç altında herhangi bir kabarcık göstermeyebilir ancak negatif basınç altında yalıtım başarısızlığına uğrayabilir. Bu durum, ürünün malzeme geçirgenliği olduğunu kanıtlamaz; bunun yerine yüzey arayüzü sızıntısı, conta halkasındaki yerel kusurlar ya da başka bir sızıntı yolu olabilir.

2. Conta Halkası Yapı Tasarımı

Kamu tasarım kılavuzlarının tamamı, conta halkası tasarımı yapılırken sıkıştırma miktarı, yuva doluluk oranı, gerilme/montaj durumu, yüzey pürüzlülüğü ve toleransların birlikte değerlendirilmesi gerektiğini vurgular. Sıkıştırmanın yetersiz olması temas kalitesini düşürür; fazla sıkıştırma ise kalıcı deformasyonu hızlandırabilir, montaj kuvvetini aşırı artırabilir veya yerel hasara neden olabilir.

Mühendislik tasarımı için, conta halkasının gerilme, montaj vb. durumlar altındaki davranışını sonlu eleman analizi (FEA) ile simüle edebilir ve kritik sayısal değerlerle güvenilirliğini değerlendirebilirsiniz. Önemli inceleme maddeleri aşağıda yer almaktadır.

Not: Bu değerler, doğrudan sızıntıyı ölçen nicelikler değil; mühendislik açısından sızıntıya ilişkin dolaylı göstergelerdir.

1. Farklı Durumlardaki Arıza Modları

Yapı incelemesi sırasında, farklı boyut kombinasyonları ve montaj durumları altında açıkça görülebilen arıza modlarının olup olmadığını ilk olarak kontrol edin; örneğin:

• Conta dudak çökmesi

• Kıvrılma veya sıkışma

• Yerel ekstrüzyon

• Açıkça anormal gerilme yoğunlaşması

Bu adım, contanın hâlâ normal çalışma koşullarında olup olmadığını gösterir. Nominal sıkıştırma oranı uygun görünse bile, contanın montaj sırasında aşırı yüklenmesi halinde contanın dudağı çöker veya katlanırsa güvenilirlik yine de düşebilir.

2. EBM (En Az Malzeme Koşulu) Altında Temas Basıncı ve Temas Uzunluğu

Statik contalar için EBM (conta halkasının tolerans alt sınırındaki boyutu, kanal boşluğunun tolerans üst sınırındaki genişliği), genellikle en zayıf anıdır çünkü bu kombinasyon temas basıncını ve temas uzunluğunu daha kolay azaltır.

Bağlantı elemanı alanında, deneyim göstermektedir ki silikon kauçuk için başlangıç tasarımında pozitif basınç >500 kPa ve temas uzunluğu >0,6 mm hedeflenmelidir. Bu, 125°C sıcaklıkta 1008 saat süreyle 28 kPa hava sızdırmazlığını sağlayabilen bir referans değerdir (yaklaşık olarak 3 m su derinliğine eşdeğerdir).

Ek notlar:

① Gerekirse, kuvvet altında eşleşen parçaların deformasyonunu da göz önünde bulundurun.

② Temas basıncı ve temas uzunluğu makro düzeydeki kontrollerdir; mikro düzeyde yüzey pürüzlülüğünden kaynaklanan sızıntı kanalları hakkında yine de düşünmeniz gerekir.

3. Dolgu Oranı ve MMC (Maksimum Malzeme Koşulu) Altındaki Yerel Gerilme

MMC altında conta halkası aşırı sıkışmaya daha yatkındır. Şunlara odaklanın:

• Kesit dolgu oranının çok yüksek olup olmadığı (mutlaka %100'ün altında kalmalıdır).

• Yerel gerilmenin malzemenin dayanabileceği sınırı aşıp aşmadığı (lastiğin çekme mukavemetinin altında kalmalıdır) ve ezilme eğilimi gösterip göstermediği.

• Ekstrüzyon riski olup olmadığı.

3. Conta Halkalarının Hava Koşullarına Dayanıklılığı

Daha önceki bölüm, contanın yeni durumdayken performansını ele almıştır ve bu durum için SONLU ELEMANLAR ANALİZİ (FEA) oldukça doğru sonuçlar verebilir.

Ancak kauçuk malzemeler zamanla kalıcı sıkışma deformasyonuna (kompresyon seti), gerilim gevşemesine, termal yaşlanmaya ve özellik kaybına uğrar; bu nedenle sızdırmazlık arayüzü yavaş yavaş orijinal temas kuvvetini kaybeder.

Başlangıçta yapılan kontrollerin geçilmesi, ürünün kullanım ömrünün sonunda hâlâ güvenilir olacağı anlamına gelmez. Tasarımın başından itibaren yaşlanma faktörlerini göz önünde bulundurmalısınız.

1. Sıkıştırma Seti Tanımı

Kompresyon seti, kauçuğun uzun süreli sıkıştırılmaya maruz kaldıktan sonra esnekliğini ne kadar iyi koruduğunu değerlendirmek için kullanılan temel bir gösterge dir.

Bu, contanın sıkıştırıldıktan ve uzun süre yaşlandıktan sonra üzerine uygulanan basınç kaldırıldığında orijinal şekline tam olarak geri dönemediği anlamına gelir. Kompresyon seti ne kadar büyükse, geri dönüş yeteneği o kadar kötü olur ve kullanım ömrünün sonunda etkili sızdırmazlık temasını kaybetme riski o kadar yüksek olur.

(Makalede burada kompresyon seti diyagramı yer almaktadır.)

(Makale, conta halkası sıkıştırma seti için standart endüstriyel test düzeneğini göstermektedir — plakalar arasında yerleştirilen standart boyutlu bir kauçuk bloğu.)

2. Sıkıştırma Seti ile Basınç (Sıkıştırma Oranı), Sıcaklık ve Yaşlandırma Süresi Arasındaki İlişki

Niteliksel olarak üç ana faktör şunlardır: basınç (sıkıştırma oranı), sıcaklık ve süre.

(Makale, VMQ silikon kauçuğun sıkıştırma setini sıkıştırma oranına göre gösteren bir grafik içermektedir. VMQ için çok az ya da çok fazla sıkıştırma, uzun vadeli performans açısından en iyi seçenek değildir.)

(Not: Sıkıştırma çok hafif olduğunda, "yüzde" sıkıştırma seti değeri oldukça yüksek görünebilir.)

(Makale, farklı sıcaklıklarda yaşlandırıldıktan sonra sıkıştırma setini gösteren grafikler içermektedir — daha yüksek sıcaklık, geri dönüşü daha da kötüleştirir.)

(Makale, çeşitli sıcaklıklarda farklı conta malzemelerinin yaklaşık kullanım ömrünü göstermektedir — yalnızca referans amaçlıdır.)

(Makale, NBR kauçuğunun yaşlandırma süresine göre sıkıştırma setini gösteren bir grafik içermektedir.)

3. Yaşlandıktan Sonra Hızlı Değerlendirme Yöntemi

Mühendislik uygulamasında, yaşlanma sonrası sıkıştırma seti değerini başlangıç tasarımına geri ekleyerek yeterli güvenlik payınız olup olmadığını hızlıca kontrol edebilir ve kullanım ömrünün sonunda arıza riskini değerlendirebilirsiniz.

Örnek: Başlangıç tasarımındaki sıkıştırma oranı %10 ise ancak 125 °C’de 1008 saat sonra sıkıştırma seti değeri %17’ye ulaşıyorsa, yaşlanmadan sonra conta büyük olasılıkla arızalanacaktır. Bu durumda başlangıç sıkıştırma oranını artırmalı ya da daha iyi sıkıştırma seti performansı gösteren bir kauçuk seçmelisiniz.

Not: Bu yöntem, hızlı kontroller veya eğilim değerlendirmeleri için uygundur; ancak nihai sızıntı hızının doğrudan tahmin edilmesi için kullanılmaz.

4. Bu Makalenin Kapsamı ve Gelecekte Ele Alınacak Konular

Bu makale, conta tasarımı için nitel bir çerçeve sunar; ancak yüzey pürüzlülüğü ile sızdırmazlık arasındaki ilişki, düşük sıcaklığın conta performansı üzerindeki etkisi, sızıntı hızı için nicel yöntemler ve sıcaklık-yaşlanma uyum modellerinin oluşturulması gibi birçok konu henüz ele alınmamıştır.

Referanslar

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring El Kitabı: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H, ve diğerleri. Transformatör yağı içindeki sıkıştırma gerilmesi altında nitril kauçuğun ömrünün tahmini[C]//2016 Yılı 5. Uluslararası Ölçüm, Enstrümantasyon ve Otomasyon Konferansı Bildirileri (ICMIA 2016). Paris: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.