O-rings "có thể" thực hiện chức năng làm kín trục quay, nhưng thông thường không nên là lựa chọn đầu tiên cho việc làm kín trục quay liên tục

Hãy làm rõ một điểm then chốt trước: nếu Vòng chữ O được lắp đặt tại nắp cuối, mặt bích, vỏ bao, nút bịt và các vị trí tương tự, và không có chuyển động tương đối giữa các bề mặt làm kín, thì đây vẫn là dạng làm kín tĩnh; tình huống này sử dụng gioăng chữ O hoàn toàn đúng. Điều thực sự cần thận trọng là:

Đường kính trong của gioăng chữ O ôm sát trực tiếp trục quay, hoặc đường kính ngoài trượt tương đối với lỗ quay, tức là sử dụng gioăng chữ O như một phớt động quay.

Bản chất của gioăng O-ring là một bộ phận làm kín tạo ra áp suất tiếp xúc thông qua "biến dạng nén"; cốt lõi của gioăng trục quay là "duy trì màng dầu dưới áp suất tiếp xúc được kiểm soát, giảm nhiệt do ma sát và bù trừ cho mài mòn cũng như độ lệch tâm của trục." Hai nguyên lý thiết kế này không hoàn toàn tương thích với nhau.

1. Vấn đề lớn nhất là nhiệt do ma sát

Khi gioăng O-ring được dùng để làm kín trục quay, trục đi xuyên qua đường kính trong của gioăng O-ring và bề mặt bên trong của gioăng O-ring duy trì tiếp xúc lâu dài với trục đang quay. Hướng dẫn thiết kế gioăng O-ring của Apple Rubber nêu rõ rằng điều kiện vận hành quay khiến đường kính trong của gioăng O-ring chịu nhiệt ma sát liên tục; do bản thân cao su đàn hồi có khả năng chịu nhiệt kém, nếu tốc độ sinh nhiệt cao hơn tốc độ tản nhiệt thì gioăng O-ring có thể hỏng.

Đây là lý do vì sao việc khách hàng chỉ hỏi "tốc độ quay nhanh đến mức nào" là chưa đủ — cần phải xem xét đồng thời đường kính trục và tốc độ quay.

Ví dụ, khi một trục có đường kính 30 mm quay với tốc độ 1000 vòng/phút, vận tốc bề mặt khoảng 1,57 m/giây; khi một trục có đường kính 50 mm quay với tốc độ 1500 vòng/phút, vận tốc bề mặt khoảng 3,93 m/giây. Đường kính trục càng lớn thì nhiệt lượng ma sát sinh ra ở cùng một tốc độ quay càng cao.

PARKER giải thích của ông ấy về hiện tượng mài mòn gioăng chữ O dùng cho phớt động cũng chỉ ra rằng gioăng chữ O dùng cho phớt động dễ bị ảnh hưởng bởi mài mòn và ma sát, trong đó lực ma sát liên quan đến áp suất trên bề mặt tiếp xúc và sự gia tăng nhiệt độ trong vùng tiếp xúc làm kín.

2. Gioăng chữ O không được thiết kế để kiểm soát lớp màng dầu như kiểu "môi phớt quay"

Phớt dầu có lõi kim loại, phớt trục hướng tâm, phớt môi làm bằng PTFE và các chi tiết làm kín quay khác có giá trị cốt lõi không chỉ đơn thuần là "ngăn dầu", mà còn liên tục hình thành một vùng tiếp xúc có thể kiểm soát được thông qua hình dạng môi phớt, lực tiếp xúc cũng như cấu trúc lò xo hoặc lực căng ban đầu.

Dữ liệu công nghệ phớt chặn quay của Freudenberg giải thích: sau khi góc mở của mép phớt được thiết kế cẩn thận, màng dầu hình thành bởi góc dọc trục và phân bố lực hướng tâm từ thanh lò xo tạo ra phân bố áp suất tiếp xúc bất đối xứng; đồng thời, thông qua biến dạng vi mô của mép phớt sau quá trình chạy rà, hiệu ứng dẫn dầu trở lại hoặc hiệu ứng "bơm vi mô" được tạo ra — yếu tố này cực kỳ quan trọng đối với chức năng làm kín.

Vòng chữ O đơn giản chỉ có tiết diện tròn ép lên trục. Chúng không có góc nghiêng dầu, góc nghiêng khí, cơ chế dẫn dầu trở lại hay hình học mép phớt đàn hồi được thiết kế đặc biệt. Hệ quả là: màng bôi trơn khó ổn định hơn, ma sát ít được kiểm soát hơn, và áp suất tiếp xúc cũng dễ dao động hơn dưới tác động của áp suất, nhiệt độ, độ lệch tròn và rung động trục.

Đây cũng là lý do vì sao các phớt dầu, phớt môi, vòng V và phớt mặt đầu cơ khí sẽ được chỉ định riêng biệt như các giải pháp làm kín quay. Định nghĩa của Trelleborg về phớt trục quay là: các bộ phận dùng để làm kín chất lỏng tại các bộ phận quay hoặc dao động, đồng thời ngăn bụi, nước và các tạp chất bên ngoài khác xâm nhập; dòng sản phẩm của nó bao gồm phớt dầu hướng kính, phớt dầu hướng kính/trục, phớt quay PTFE được kích hoạt bằng O-ring, vòng V và phớt mặt đầu cơ khí, v.v.

3. Bôi trơn không đủ sẽ làm tăng nhanh mài mòn

Làm kín quay không đơn giản chỉ là "cao su dính vào kim loại." Miễn là có ma sát tiếp xúc, thì cần phải bôi trơn và tản nhiệt.

Vật liệu phớt chặn trục quay của Freudenberg làm nổi bật rõ ràng: mức độ bôi trơn đầy đủ của phớt ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ và độ tin cậy; bôi trơn càng đầy đủ thì mài mòn càng ít; cùng một vật liệu cũng cho thấy các thông số tác động đến lực hướng tâm và trạng thái bôi trơn cũng ảnh hưởng đến tổn thất ma sát trong quá trình làm kín.

Khi dùng gioăng O-ring cho trục quay, một quan niệm sai lầm phổ biến là ‘lắp ráp với một lượng nhỏ mỡ bôi trơn là đủ’. Thực tế, lớp mỡ bôi trơn ban đầu chỉ giải quyết được giai đoạn khởi động, chứ không đảm bảo được màng dầu ổn định lâu dài. Đặc biệt trong quá trình vận hành kéo dài, gioăng O-ring dễ rơi vào chế độ bôi trơn biên giới hoặc thậm chí là ma sát khô.

4. Xoắn, lăn và "hỏng xoắn ốc" là những rủi ro điển hình của gioăng động dạng O-ring

Tiết diện ngang của gioăng O-ring có dạng tròn và trong ứng dụng gioăng động dễ bị ảnh hưởng bởi lực ma sát không đều, dẫn đến hiện tượng lăn và xoắn cục bộ. Phân tích của Parker về nguyên nhân hỏng xoắn ốc ở gioăng O-ring bao gồm: chi tiết không tròn, lệch tâm, độ nhám bề mặt cao, thiếu bôi trơn hoặc lượng bôi trơn không đủ, vật liệu quá mềm, tỷ lệ giữa tiết diện ngang và đường kính trong không phù hợp, và độ giãn lắp đặt không đúng; các biện pháp phòng ngừa bao gồm giảm độ không tròn và độ lệch tâm, giảm sự biến thiên của tiết diện ngang, đảm bảo chất lượng bề mặt phù hợp, sử dụng vật liệu cứng hơn và tỷ lệ tiết diện ngang/đường kính trong hợp lý.

Vấn đề này nổi bật hơn trên các trục quay. Trạng thái lý tưởng là: gioăng chữ O được cố định trong rãnh, chỉ có chuyển động tương đối xảy ra tại đường kính trong của gioăng chữ O. Tuy nhiên, trong thực tế, nếu thiết kế rãnh, độ nhám bề mặt, lượng nén hoặc bôi trơn không phù hợp, gioăng chữ O có thể "bị kéo theo dọc theo trục", xoắn lại và lăn một phần trong rãnh, cuối cùng biểu hiện như sau:

Apple Rubber đặc biệt nhấn mạnh trong thiết kế gioăng chữ O quay rằng các ứng dụng quay hoặc dao động cần tránh kéo giãn gioăng chữ O trên trục; vật liệu đàn hồi bị kéo giãn và chịu nhiệt có thể co lại, tức là hiệu ứng Joule, từ đó làm tăng nhiệt độ tiếp xúc và nguy cơ hỏng hóc.

5. Độ lệch hình tròn, độ rung trục và độ lệch tâm có thể dẫn đến mất kiểm soát áp suất tiếp xúc của gioăng chữ O

Các phớt chặn trục quay phải xử lý được độ rung của trục, độ đồng tâm, độ nhám bề mặt trục, độ cứng và sai số chế tạo động hướng kính. Phớt dầu có khung thường có hình dạng môi làm kín và được hỗ trợ bởi lò xo, cho phép bù trừ trong một phạm vi nhất định đối với chuyển vị hướng kính và duy trì khả năng làm kín. Dữ liệu từ Freudenberg chỉ ra rằng lực hướng kính của phớt bắt nguồn từ lực ép xuống khi lắp đặt và lực từ lò xo; thiết kế nhằm giảm lực hướng kính để hạn chế ma sát và mài mòn, nhưng đồng thời lực này cũng phải đủ lớn để đảm bảo hiệu quả làm kín.

Các vòng đệm O-ring không có cấu trúc nạp lò xo chuyên biệt này. Nếu lệch tâm, độ nén ở một bên quá lớn sẽ gây sinh nhiệt và tăng mài mòn; còn bên kia lại bị nén không đủ, dễ rò rỉ. Thiết kế bảo vệ của Apple Rubber dành cho các vòng đệm O-ring dùng trong ứng dụng quay cũng nêu rõ rằng chuyển động tương đối chỉ được phép xảy ra giữa đường kính trong của vòng đệm O-ring và trục quay; điều này phải được tránh bằng cách kiểm soát độ đồng tâm của trục, độ nhẵn bề mặt trục và tình trạng bề mặt rãnh.

6. Khi nào có thể sử dụng vòng đệm O-ring làm phớt làm kín quay?

Điều này là khả thi, nhưng các điều kiện biên phải rất nghiêm ngặt và nên được xác nhận thông qua thử nghiệm tuổi thọ thực tế. Các tình huống tương đối phù hợp bao gồm:

Danh sách khuyến nghị thiết kế phớt O-ring quay của Apple Rubber nêu các biện pháp giảm nguy cơ hỏng hóc, ví dụ như tăng lưu lượng chất lỏng để tản nhiệt, chọn vật liệu tự bôi trơn chất lượng cao, giới hạn áp suất, tránh nhiệt độ cực đoan và cố gắng giữ chất lỏng bôi trơn ở gần vị trí làm việc. Dữ liệu của hãng đề cập tốc độ bề mặt 180 foot mỗi phút là giá trị vượt ngưỡng, đòi hỏi các biện pháp thiết kế đặc biệt trong thiết kế cơ khí nhằm ngăn ngừa tình huống cụ thể này; giá trị này tương đương khoảng 0,91 m/s; những giá trị này nên được hiểu là hướng dẫn cho thiết kế cụ thể, chứ không phải giới hạn phổ quát áp dụng cho mọi vật liệu và mọi tổ hợp cấu trúc.

7. Khi nào thì không nên chọn O-ring?

Các tình huống sau đây khuyến cáo chuyển trực tiếp sang niêm phong dầu xương, V-ring, niêm phong môi, niêm phong xoay PTFE hoặc niêm phong cơ học:

8. Làm thế nào để lựa chọn các giải pháp thay thế khác nhau?

Phớt dầu khung / Phớt trục hướng kính

Phù hợp với hầu hết các trục quay thông dụng: bộ giảm tốc, động cơ, bơm, moay-ơ bánh xe, máy móc nông nghiệp, máy móc xây dựng. Ưu điểm của nó là cấu trúc chín muồi, chi phí kiểm soát được, lắp đặt tiêu chuẩn, cung cấp khả năng giữ dầu, chống bụi và tiếp xúc tương đối ổn định nhờ môi trường làm kín (lip) và lò xo. Mô tả kỹ thuật của Freudenberg về gioăng phớt trục hướng tâm nêu rõ: khả năng làm kín đáng tin cậy, độ tin cậy cao, tương thích với môi chất, ma sát thấp và dễ lắp đặt là những yêu cầu quan trọng đối với gioăng phớt trục hướng tâm.

V-Ring

Phù hợp để chống bụi, chống bùn-nước, chống nước, làm kín mặt đầu trục theo phương dọc trục và bảo vệ khỏi ô nhiễm từ bên ngoài. V-Ring thường quay cùng trục, và mép làm kín tiếp xúc theo phương dọc trục với một mặt đầu cố định; không phù hợp để chịu chênh lệch áp suất cao, nhưng rất thích hợp cho bảo vệ bên ngoài phụ trợ hoặc làm kín phụ trợ.

Gioăng phớt môi trường làm kín / Gioăng quay PTFE

Phù hợp với các tình huống vận hành tốc độ cao, ma sát thấp, nhiệt độ cao, môi trường hóa chất, rò rỉ thấp hoặc không gian hạn chế. Đặc biệt, các phớt xoay PTFE được kích hoạt bằng O-ring của Trelleborg về cơ bản không phải là "O-ring trần tiếp xúc trực tiếp với trục", mà O-ring cung cấp lực ép đàn hồi, còn mép PTFE mới chịu trách nhiệm tạo ma sát với trục xoay.

Phớt cơ khí

Phù hợp với bơm, máy khuấy, máy nén và các thiết bị xoay khác có yêu cầu cao về khả năng chống rò rỉ, áp suất, môi trường ăn mòn hoặc thời gian vận hành dài hạn. Thiết bị này tạo kín nhờ cặp mặt đầu ma sát, chứ không phải do vòng cao su kéo lê trực tiếp trên trục xoay. Các O-ring có thể được sử dụng bên trong phớt cơ khí, nhưng thường chỉ ở vai trò phớt tĩnh phụ trợ hoặc phớt bù trừ, chứ không thường được dùng làm phớt ma sát xoay chính.

9. Các thông số cần hỏi khi trao đổi báo giá hoặc xác nhận kỹ thuật với khách hàng

Trước khi đánh giá xem một gioăng O-ring có thể dùng cho việc làm kín quay hay không, ít nhất cần xác nhận các thông tin sau:

10. Tóm tắt quan điểm cốt lõi

Vòng đệm O-ring không phải là không thể thực hiện chức năng làm kín chuyển động quay, nhưng không phù hợp để mặc định là phớt làm kín trục quay chính. Rủi ro chủ yếu của nó tập trung vào các yếu tố sau: nhiệt do ma sát, bôi trơn không đủ, xoắn/lăn, mài mòn và trầy xước, rung nhảy trục gây tiếp xúc không đều, biến dạng nén vĩnh viễn và tuổi thọ không ổn định.

Nguyên tắc kỹ thuật vững chắc hơn là:

Ưu tiên dùng vòng đệm O-ring cho ứng dụng làm kín tĩnh; trục quay liên tục ưu tiên dùng phớt môi, phớt dầu có khung kim loại, phớt V-ring hoặc phớt cơ khí; vòng đệm O-ring trần chỉ được sử dụng trong các tình huống tốc độ thấp, áp suất thấp, bôi trơn đầy đủ và rủi ro có thể kiểm chứng.