Thiết kế sản phẩm — Thiết kế gioăng tĩnh

Lõi của thiết kế gioăng là đảm bảo rằng, thông qua các tác động kết hợp của cấu trúc, dung sai, vật liệu và các yếu tố khác, sản phẩm có thể chặn mọi đường rò rỉ trong suốt toàn bộ tuổi thọ sử dụng của nó.

Nếu bạn chỉ kiểm tra gioăng khi nó còn mới nguyên và bỏ qua các yếu tố như dung sai của vòng gioăng, dung sai của chi tiết hoặc hiệu suất của gioăng sau khi lão hóa, thì rất dễ xảy ra rò rỉ về sau. Bạn phải xem xét những yếu tố này ngay từ giai đoạn đầu của quá trình thiết kế.

Thông tin công khai phân chia gioăng thành gioăng tĩnh và gioăng động (tức là có hay không có chuyển động tương đối giữa gioăng và các chi tiết khi gioăng đang hoạt động). Trọng tâm thiết kế đối với từng loại rất khác nhau. Bài viết này chỉ đề cập đến gioăng tĩnh.

Mục lục

1. Nguyên lý làm kín và các dạng hỏng hóc

2. Thiết kế cấu trúc vòng gioăng

1. Các dạng hỏng hóc ở các trạng thái khác nhau

2. Áp lực tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc ở điều kiện LMC

3. Tỷ lệ điền đầy và ứng suất cục bộ ở điều kiện MMC

3. Khả năng chịu thời tiết của vòng gioăng

1. Định nghĩa độ biến dạng nén dư

2. Mối quan hệ giữa độ biến dạng nén dư với áp suất (tỷ lệ nén), nhiệt độ và thời gian lão hóa

3. Phương pháp đánh giá nhanh sau khi lão hóa

4. Phạm vi của bài viết này và các chủ đề tương lai

1. Nguyên lý làm kín và các dạng hỏng hóc

Một sản phẩm tạo thành lớp kín vì vật liệu đàn hồi (vòng đệm) bị ép vào bề mặt tiếp xúc, từ đó ngăn không cho khí hoặc chất lỏng đi qua.

Xét từ góc độ đường rò rỉ, sự cố kín có hai dạng chính:

• Rò rỉ tại bề mặt tiếp xúc: Xảy ra giữa vòng đệm và bề mặt tiếp xúc khi độ khít không đủ. Chất lỏng chảy dọc theo bề mặt tiếp xúc hoặc khe hở.

• Thấm qua vật liệu: Các phân tử khí hoặc chất lỏng đi xuyên qua bản thân vật liệu cao su hoặc nhựa ở cấp độ phân tử.

Trong thực tế kỹ thuật, phép thử bọt khí dưới áp suất dương thường dễ phát hiện các rò rỉ lớn tại bề mặt tiếp xúc hơn. Còn việc kiểm tra sự cố cách điện sau khi ngâm lại phù hợp hơn để đánh giá xem toàn bộ sản phẩm có bị rò rỉ ở cấp độ hệ thống hay không.

Lưu ý quan trọng: Kết quả thử nghiệm không tự động cho biết cơ chế hỏng hóc chính xác. Ví dụ, một sản phẩm có thể không xuất hiện bọt khí dưới áp suất dương nhưng lại thất bại về cách điện dưới áp suất âm. Điều này không chứng minh rằng hiện tượng đó là do thấm vật liệu — nguyên nhân vẫn có thể là rò rỉ tại bề mặt tiếp xúc, khuyết tật cục bộ trên gioăng làm kín hoặc một đường rò khác.

2. Thiết kế cấu trúc vòng gioăng

Các hướng dẫn thiết kế công khai đều nhấn mạnh rằng khi thiết kế gioăng làm kín, bạn phải xem xét đồng thời lượng nén, độ đầy rãnh, trạng thái kéo dãn/lắp đặt, độ nhẵn bề mặt và dung sai. Lượng nén quá ít dẫn đến tiếp xúc kém; lượng nén quá nhiều có thể đẩy nhanh hiện tượng biến dạng vĩnh viễn, làm lực lắp đặt quá lớn hoặc gây hư hại cục bộ.

Đối với thiết kế kỹ thuật, bạn có thể sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng gioăng làm kín dưới tác động của lực kéo dãn, lắp đặt, v.v., và đánh giá độ tin cậy dựa trên các thông số then chốt. Các mục cần xem xét quan trọng được liệt kê bên dưới.

Lưu ý: Các thông số này là các chỉ thị thay thế trong kỹ thuật, chứ không phải các phép đo trực tiếp của hiện tượng rò rỉ.

1. Các dạng hỏng hóc ở các trạng thái khác nhau

Trong quá trình rà soát cấu trúc, trước tiên cần kiểm tra xem các dạng hỏng rõ ràng có xuất hiện hay không dưới các tổ hợp kích thước và trạng thái lắp ráp khác nhau, ví dụ như:

• Mô-men uốn mép gioăng

• Cong vênh hoặc kẹt mép gioăng

• Trượt cục bộ (bị ép lồi ra ngoài)

• Rõ ràng có sự tập trung ứng suất bất thường

Bước này giúp bạn xác định liệu gioăng vẫn đang ở trong điều kiện làm việc bình thường hay không. Ngay cả khi tỷ lệ nén danh nghĩa trông có vẻ phù hợp, nếu mép gioăng bị cong vênh hoặc gập lại trong điều kiện lắp ráp cực đoan, độ tin cậy vẫn có thể giảm sút.

2. Áp lực tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc ở điều kiện LMC (Least Material Condition – Điều kiện vật liệu ít nhất)

Đối với gioăng tĩnh, điều kiện LMC (kích thước vòng gioăng ở giới hạn dung sai nhỏ nhất, khe rãnh ở giới hạn dung sai lớn nhất) thường là thời điểm yếu nhất, bởi vì tổ hợp này khiến áp lực tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc dễ giảm hơn.

Trong lĩnh vực kết nối, kinh nghiệm cho thấy đối với cao su silicone, thiết kế ban đầu nên hướng tới áp suất dương >500 kPa và chiều dài tiếp xúc >0,6 mm. Đây là giá trị tham khảo có thể đảm bảo độ kín khí ở mức 28 kPa sau 1008 giờ ở nhiệt độ 125°C (tương đương khoảng độ sâu 3 m dưới mực nước).

Ghi chú bổ sung:

① Nếu cần thiết, cũng cần xem xét độ biến dạng của các chi tiết ghép nối dưới tác dụng của lực.

② Áp suất tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc là các kiểm tra ở cấp độ vĩ mô; ở cấp độ vi mô, bạn vẫn cần cân nhắc các kênh rò rỉ hình thành do độ nhám bề mặt.

3. Tỷ lệ lấp đầy và ứng suất cục bộ ở điều kiện MMC (Điều kiện vật liệu cực đại)

Ở điều kiện MMC, vòng đệm kín có khả năng bị nén quá mức cao hơn. Cần tập trung vào:

• Việc tỷ lệ lấp đầy mặt cắt ngang có quá cao hay không (phải luôn thấp hơn 100%).

• Việc ứng suất cục bộ có vượt quá giới hạn chịu đựng của vật liệu hay không (phải luôn thấp hơn giới hạn bền kéo của cao su) và có xu hướng bị nén vỡ hay không.

• Việc có nguy cơ bị ép lọt (extrusion) hay không.

3. Khả năng chịu thời tiết của vòng gioăng

Phần đầu tiên đã đề cập đến hiệu suất của gioăng làm kín khi mới, và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) có thể đưa ra kết quả khá chính xác cho trường hợp này.

Tuy nhiên, vật liệu cao su chịu hiện tượng biến dạng nén vĩnh viễn, giảm ứng suất theo thời gian, lão hóa nhiệt và suy giảm tính chất theo thời gian, do đó giao diện làm kín dần dần mất đi lực tiếp xúc ban đầu.

Việc vượt qua các kiểm tra ban đầu không đồng nghĩa với việc sản phẩm vẫn đảm bảo độ tin cậy ở cuối vòng đời. Bạn phải xem xét các yếu tố lão hóa ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu.

1. Định nghĩa độ biến dạng nén dư

Biến dạng nén vĩnh viễn là một chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng duy trì độ đàn hồi của cao su sau khi chịu nén trong thời gian dài.

Điều này có nghĩa là sau khi gioăng làm kín bị nén và lão hóa trong thời gian dài, khi loại bỏ tải trọng, nó không thể phục hồi hoàn toàn về hình dạng ban đầu. Biến dạng nén vĩnh viễn càng lớn thì khả năng phục hồi càng kém và rủi ro mất đi tiếp xúc làm kín hiệu quả ở cuối vòng đời càng cao.

(Bài viết trình bày sơ đồ minh họa biến dạng nén vĩnh viễn tại đây.)

(Bài viết thể hiện thiết bị thử nghiệm tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp dành cho độ biến dạng nén của gioăng làm kín — một khối cao su có kích thước tiêu chuẩn được đặt giữa hai tấm.)

2. Mối quan hệ giữa độ biến dạng nén dư với áp suất (tỷ lệ nén), nhiệt độ và thời gian lão hóa

Về mặt định tính, ba yếu tố chính là áp suất (tỷ lệ nén), nhiệt độ và thời gian.

(Bài viết thể hiện biểu đồ độ biến dạng nén của cao su silicone VMQ theo tỷ lệ nén. Đối với VMQ, việc nén quá ít hoặc quá nhiều đều không tối ưu cho hiệu suất dài hạn.)

(Lưu ý: Khi lực nén rất nhẹ, giá trị "phần trăm" của độ biến dạng nén có thể trông rất cao.)

(Bài viết thể hiện các biểu đồ độ biến dạng nén sau khi lão hóa ở các nhiệt độ khác nhau — nhiệt độ cao hơn làm giảm khả năng phục hồi.)

(Bài viết thể hiện tuổi thọ sử dụng xấp xỉ của các vật liệu gioăng làm kín khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau — chỉ mang tính tham khảo.)

(Bài viết thể hiện biểu đồ độ biến dạng nén của cao su NBR theo thời gian lão hóa.)

3. Phương pháp đánh giá nhanh sau khi lão hóa

Trong thực tiễn kỹ thuật, bạn có thể thay giá trị độ biến dạng nén dư sau lão hóa trở lại vào thiết kế ban đầu để nhanh chóng kiểm tra xem bạn còn đủ dự phòng hay không và đánh giá rủi ro hỏng hóc khi sản phẩm hết tuổi thọ.

Ví dụ: Nếu tỷ lệ nén ban đầu trong thiết kế là 10%, nhưng sau 1008 giờ ở nhiệt độ 125°C, độ biến dạng nén dư tăng lên 17%, thì sau quá trình lão hóa, gioăng rất có khả năng bị hỏng. Bạn nên tăng tỷ lệ nén ban đầu hoặc chọn loại cao su có hiệu suất độ biến dạng nén dư tốt hơn.

Lưu ý: Phương pháp này phù hợp để kiểm tra nhanh hoặc đánh giá xu hướng, chứ không dùng để dự đoán trực tiếp tốc độ rò rỉ cuối cùng.

4. Phạm vi của bài viết này và các chủ đề tương lai

Bài viết này cung cấp một khung định tính cho thiết kế gioăng, tuy nhiên nhiều chủ đề vẫn chưa được đề cập, chẳng hạn như mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và khả năng làm kín, ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến hiệu suất gioăng, các phương pháp định lượng tốc độ rò rỉ và xây dựng các mô hình hồi quy phù hợp giữa nhiệt độ và lão hóa.

Các tài liệu tham khảo

[1] Parker Hannifin Corporation. Sổ tay gioăng chữ O của Parker: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H, et al. Dự đoán tuổi thọ của cao su nitrile dưới ứng suất nén trong dầu biến áp [C]// Kỷ yếu Hội nghị Quốc tế lần thứ 5 năm 2016 về Đo lường, Thiết bị đo và Tự động hóa (ICMIA 2016). Paris: Nhà xuất bản Atlantis, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.