Questo articolo esplora l'affascinante mondo degli O-ring, rivelando il loro ruolo cruciale nel garantire l'affidabilità meccanica. Imparate da ingegneri esperti che condividono le loro intuizioni sulla selezione dei materiali, sulle considerazioni di progettazione e sui suggerimenti per la manutenzione. Immergetevi per scoprire i segreti di questi componenti vitali!
L'O-ring è un tipo di anello di tenuta in gomma a sezione circolare. Il nome deriva dalla sua sezione trasversale a forma di O e viene comunemente chiamato O-ring.
L'O-ring è stato introdotto per la prima volta a metà del XIX secolo come elemento di tenuta per i cilindri dei motori a vapore. Oggi è ampiamente utilizzato grazie alla sua economicità, alla facilità di produzione, all'affidabilità delle prestazioni e alla semplicità di installazione. Di conseguenza, l'O-ring è il design più utilizzato per la tenuta meccanica.
L'O-ring è in grado di resistere a pressioni elevate, misurate in decine di megapascal (chilopound). Può essere utilizzato in applicazioni statiche e dinamiche in cui i componenti si muovono l'uno rispetto all'altro, come ad esempio negli alberi delle pompe rotanti e nei pistoni dei cilindri idraulici.
L'O-ring è un piccolo elemento di tenuta a forma di anello, tipicamente a sezione circolare. Il materiale principale utilizzato per la sua fabbricazione è il composto sintetico per stampaggio, che lo rende il tipo di guarnizione più utilizzato nell'ingegneria idraulica. Viene utilizzato principalmente per le tenute statiche e scorrevoli.
Rispetto ad altre guarnizioni, l'O-ring presenta diversi vantaggi, tra cui:
a. Tenuta efficace e lunga durata
b. Capacità di sigillare in entrambe le direzioni con un unico anello.
c. Buona compatibilità con olio, temperatura e pressione
d. Bassa resistenza all'attrito dinamico
e. Dimensioni ridotte, peso ridotto e costi contenuti
f. Una struttura di tenuta semplice e facilmente smontabile
g. Capacità di essere utilizzata come tenuta statica o dinamica.
h. Dimensioni e scanalature standardizzate, che rendono conveniente la selezione e l'approvvigionamento
Uno degli svantaggi dell'O-ring è che, quando viene utilizzato come guarnizione dinamica, presenta una grande resistenza all'attrito, circa 3 o 4 volte superiore al suo attrito dinamico. Inoltre, è soggetto a essere schiacciato nella barriera sotto alta pressione.
1GB/T3452.1-1982 metodo di espressione
Diametro interno d1 × Diametro del filo d2
Ad esempio:
Il numero "20" indica che il diametro interno dell'O-ring è di 20 mm.
Il termine "2,4" si riferisce al diametro della sezione trasversale dell'O-ring, che è di 2,4 mm.
"GB3452.1" è il numero standard.
"82" rappresenta l'anno di pubblicazione dello standard.
Il valore "2400" rappresenta il diametro della sezione trasversale dell'O-ring, che è di 2,4 mm.
L'indicazione "0200" indica che il diametro interno dell'O-ring è di 20 mm.
Come nel primo esempio, "GB3452.1" è il numero della norma e "82" rappresenta l'anno di pubblicazione della norma.
2. Rappresentazione di GB/T3452.1-2005
Ad esempio:
(1) O-ring 7,5 × 1,8G GB/T3452.1
Il valore "7,5" indica il diametro interno dell'O-ring.
Il valore "1,8" si riferisce al diametro della sezione trasversale dell'O-ring.
La serie "G" si riferisce all'"O-ring universale". Esistono altre serie, come la "A", che sta per "O-ring per il settore aerospaziale".
(2) A 0 × 0 × 7 × 5XG GB/T3452.1
La serie "A" si riferisce al diametro del filo dell'O-ring di 1,80 mm. Esistono altre serie con diversi diametri di filo, come ad esempio:
L'O-ring è un tipo di guarnizione per estrusione. Il principio di base di una guarnizione a estrusione è che si basa sulla deformazione elastica della guarnizione per creare una pressione di contatto sulla superficie di tenuta. Se questa pressione di contatto è maggiore della pressione interna del fluido sigillato, non ci saranno perdite, altrimenti si verificheranno delle perdite. Il processo in cui il fluido stesso modifica lo stato di contatto dell'O-ring per ottenere la tenuta viene definito "autosigillante".
Q-ring di pre-sigillatura
Effetto autosigillante:
Grazie all'effetto di pre-sigillatura, l'O-ring è in stretto contatto sia con la superficie liscia sigillata che con il fondo della scanalatura. Di conseguenza, quando il fluido entra nella scanalatura attraverso una fessura, agisce solo su un lato dell'O-ring. Quando la pressione del fluido è elevata, spinge l'O-ring verso l'altro lato della scanalatura e lo comprime a forma di D, trasferendo la pressione alla superficie di contatto.
Tuttavia, la capacità di autosigillatura degli O-ring è limitata. Quando la pressione interna è troppo elevata, l'O-ring può subire una "estrusione della gomma". Ciò si verifica quando c'è una fessura nel punto di tenuta e l'alta pressione provoca una concentrazione di tensioni nella fessura. Quando le sollecitazioni raggiungono un certo livello, la gomma viene estrusa. Sebbene l'O-ring possa temporaneamente mantenere la tenuta, in realtà è stato danneggiato. Pertanto, è importante selezionare con cura l'O-ring adatto all'applicazione.
In guarnizioni dinamicheGli effetti di pre-sigillatura e auto-sigillatura dell'O-ring sono simili a quelli delle tenute statiche. Tuttavia, la situazione è più complicata nelle tenute dinamiche a causa della potenziale introduzione di fluido tra l'O-ring e l'asta durante il movimento.
Quando l'asta è in funzione, se il lato sinistro dell'O-ring è agito dalla pressione media P1 (come mostrato nella Figura a), la pressione di contatto generata dall'O-ring sull'asta è maggiore di P1 a causa dell'effetto autosigillante, garantendo la tenuta.
Tuttavia, quando l'asta inizia a muoversi verso destra, il fluido attaccato all'asta viene portato nello spazio tra l'O-ring e l'asta (Figura b). A causa dell'effetto idrodinamico, la pressione di questa parte del fluido è maggiore di P1 e può superare la forza di contatto dell'O-ring sull'asta, causando la compressione del fluido nella prima scanalatura dell'O-ring (Figura c). Mentre l'asta continua a muoversi verso destra, il fluido continuerà a entrare nella scanalatura successiva, provocando una perdita nella direzione del movimento dell'asta.
È meno probabile che si verifichino perdite quando l'asta si muove verso sinistra, poiché la direzione di guida è opposta alla direzione di pressione dell'asta. La probabilità di perdite aumenta con la viscosità del fluido e la velocità di movimento dell'asta, oltre ad essere strettamente correlata alle dimensioni e alla pressione di esercizio dell'O-ring.
Inoltre, è presente una guarnizione di tenuta a pressione nella scanalatura dello smusso della faccia terminale, oltre a due metodi di tenuta speciali:
3.1.1 Crapporto di compressione
Il rapporto di compressione (W) di un O-ring è espresso come:
W = (d2 - h) / d2 × 100%
Dove:
d2 - Diametro della sezione trasversale dell'O-ring allo stato libero (mm)
h - La distanza tra il fondo della scanalatura dell'O-ring e la superficie sigillata (profondità della scanalatura), che rappresenta l'altezza della sezione trasversale dell'O-ring dopo la compressione (mm).
Quando si sceglie il rapporto di compressione di un O-ring, è importante considerare i seguenti fattori:
La scelta del rapporto di compressione (W) deve tenere conto anche delle condizioni di servizio e del fatto che si tratti di una tenuta statica o dinamica.
Le tenute statiche possono essere ulteriormente suddivise in tenute radiali e tenute assiali. Le tenute radiali hanno distanze radiali e le tenute assiali hanno distanze assiali.
Le guarnizioni assiali possono essere ulteriormente suddivise in guarnizioni a pressione interna e guarnizioni a pressione esterna, a seconda che il mezzo di pressione agisca sul diametro interno o sul diametro esterno dell'O-ring. La pressione interna aumenta la tensione, mentre quella esterna diminuisce la tensione iniziale dell'O-ring.
Per queste diverse forme di guarnizioni statiche, la direzione del mezzo di tenuta sull'O-ring è diversa, quindi anche la progettazione della pre-pressione è diversa.
Per le tenute dinamiche, è importante distinguere tra tenute alternate e tenute rotanti.
Quando si seleziona il rapporto di compressione per le guarnizioni per il moto rotatorio, è necessario considerare l'effetto del calore Joule. In genere, il diametro interno dell'O-ring utilizzato per il movimento rotatorio è da 3% a 5% più grande del diametro dell'albero e il rapporto di compressione del diametro esterno è da -3% a 8%.
Per gli O-Ring utilizzati in applicazioni a basso attrito, in genere si sceglie un rapporto di compressione ridotto, compreso tra 5% e 8%, per ridurre la resistenza all'attrito. È inoltre importante considerare l'espansione dei materiali in gomma dovuta al mezzo e alla temperatura.
In genere, il tasso di espansione massimo consentito è di 15% in aggiunta alla deformazione di compressione data. Se questo intervallo viene superato, indica che la selezione del materiale è inadeguato e occorre utilizzare un materiale diverso per l'O-ring oppure correggere il tasso di deformazione a compressione indicato.
3.1.2 Squantità di tensionamento
Una volta installato nella scanalatura di tenuta, l'O-ring presenta in genere un certo livello di tensione. Questa tensione, come il rapporto di compressione, influisce notevolmente sulle prestazioni di tenuta e sulla durata dell'O-ring. Una tensione eccessiva rende difficile l'installazione dell'O-ring e riduce il rapporto di compressione, causando perdite.
L'importo dell'allungamento può essere calcolato con la seguente formula:
a = (d + d2) / (d1 + d2)
Dove:
d - diametro dell'albero (mm) d1 - diametro interno dell'O-ring (mm)
L'intervallo consigliato per l'allungamento è compreso tra 1% e 5%. La tabella 1 indica la quantità di stiramento consigliata per gli O-Ring, che può essere selezionata e limitata in base alle dimensioni del diametro dell'albero.
Tabella I limiti del rapporto di compressione e della quantità di allungamento dell'O-ring
| Modulo di sigillatura | Mezzo di tenuta | Quantità di allungamento a (%) | Rapporto di compressione w (%) |
| Tenuta statica | Olio idraulico | 1.03~1.04 | 15~25 |
| Aria | <1.01 | 15~25 | |
| Movimento alternativo | Olio idraulico | 1.02 | 12~17 |
| Aria | <1.010.95~1 | 12~173~8 | |
| Movimento rotatorio | Olio idraulico | 0.95~1 | 3~8 |
La compressione di un O-ring è determinata principalmente dal design e dalle dimensioni della scanalatura di installazione.
Le scanalature rettangolari e triangolari sono le forme più comunemente utilizzate, mentre le scanalature triangolari sono utilizzate solo per guarnizioni fisse specifiche.
Le forme delle scanalature per le tenute statiche, le tenute alternative e le tenute dinamiche possono essere simili, ma le loro dimensioni variano per adattarsi ai diversi requisiti di compressione.
3.2.1 Slarghezza del lotto
La larghezza della fessura viene considerata da tre punti di vista:
In genere si raccomanda che la sezione trasversale dell'O-ring occupi almeno 85% della sezione trasversale rettangolare. In molti casi, la larghezza della scanalatura è pari a 1,5 volte il diametro della sezione trasversale dell'O-ring.
È importante notare che una scanalatura stretta aumenta l'attrito e provoca una maggiore usura dell'O-ring. D'altra parte, se la scanalatura è troppo larga, aumenta il raggio di movimento dell'O-ring e lo rende più suscettibile all'usura. Inoltre, in caso di tenute statiche con pressione pulsante, l'O-ring può subire un movimento pulsante e un'usura anomala.
In situazioni di alta pressione, è necessario utilizzare un anello di ritegno e la larghezza della scanalatura deve essere aumentata di conseguenza.
3.2.2 Gprofondità del solco
La profondità della scanalatura è un fattore cruciale per il corretto funzionamento dell'O-ring. Dipende principalmente dalla deformazione a compressione dell'O-ring.
Questa deformazione è composta dalla deformazione di compressione (A1) sul diametro interno dell'O-ring e dalla deformazione di compressione (A2) sul diametro esterno dell'O-ring.
Quando A1=A2, la sezione trasversale dell'O-ring coincide con il centro della sezione trasversale della scanalatura e i due cerchi sono uguali, a indicare che l'O-ring non è allungato durante l'installazione.
Quando A1>A2, la circonferenza del centro della sezione dell'O-ring è più piccola di quella del centro della scanalatura, a indicare che l'O-ring è installato in uno stato allungato.
Quando A1<A2, il perimetro della sezione dell'O-ring è maggiore del perimetro centrale della sezione della scanalatura. In questo caso, l'O-ring è installato con compressione circonferenziale e rimbalza durante lo smontaggio.
Quando si progetta la profondità della scanalatura, si deve considerare innanzitutto l'uso previsto dell'O-ring, seguito dalla selezione di un ragionevole tasso di deformazione a compressione. Occorre inoltre tenere conto del rigonfiamento del materiale nel mezzo, del rigonfiamento del materiale stesso e di altri fattori correlati.
Tuttavia, esistono norme pertinenti fornite dallo Stato per la struttura delle scanalature.
3.2.3 Selezione e progettazione di scanalature
1. Forma di installazione della scanalatura
Spiegare:
Tabella II Dimensione della scanalatura radiale dell'O-ring
| Diametro sezione O-ring d2 | 1.80 | 2.65 | 3.55 | 5.30 | 7.00 | ||
| larghezza della trincea | Tenuta pneumatica | 2.2 | 3.4 | 4.6 | 6.9 | 9.3 | |
| Tenuta idraulica dinamica o statica | b+0.25 | 2.4 | 3.6 | 4.8 | 7.1 | 9.59.5 | |
| b1+0.25 | 3.8 | 5.0 | 6.2 | 9.0 | 12.3 | ||
| b2+0.25 | 5.2 | 6.4 | 7.6 | 10.9 | 15.1 | ||
| Profondità della scanalatura t | Guarnizione dello stelo, (per il calcolo d3) | Tenuta idraulica dinamica | 1.42 | 2.16 | 2.96 | 4.48 | 5.95 |
| Tenuta pneumatica | 1.46 | 2.23 | 3.03 | 4.65 | 6.20 | ||
| Tenuta statica | 1.38 | 2.07 | 2.74 | 4.19 | 5.67 | ||
| Guarnizione stelo, (per calcolo d6) | Tenuta idraulica dinamica | 1.47 | 2.24 | 3.07 | 4.66 | 6.16 | |
| Tenuta pneumatica | 1.57 | 2.37 | 3.24 | 4.86 | 6.43 | ||
| Tenuta statica | 1.42 | 2.15 | 2.85 | 4.36 | 5.89 | ||
| Lunghezza minima dello smusso Zmin | 1.1 | 1.5 | 1.8 | 2.7 | 3.6 | ||
| Raggio di raccordo inferiore della scanalatura r1 | 0.2-0.4 | 0.4-0.8 | 0.8-1.2 | ||||
| Raggio di raccordo della scanalatura r2 | 0.1-0.3 | ||||||
| Diametro massimo del fondo della scanalatura di tenuta dello stelo del pistone d3max=d4+2t, d4 diametro dello stelo del pistone | |||||||
| Il diametro minimo del fondo della scanalatura di tenuta dello stelo del pistone d6min=d5max+2t, d5max diametro massimo dello stelo del pistone. | |||||||
La Cina ha stabilito degli standard per le serie di dimensioni delle scanalature degli O-Ring. I dettagli sono riportati nella Tabella 3.
Tabella III dimensioni della scanalatura e compressione per la tenuta
| Tolleranza di dimensione della sezione 0-ring | 1.9±0.08 | 2.4±0.08 | 3.1±0.10 | 3.5±0.10 | 5.7±0.15 | 8.6±0.16 | |||
| Tenuta fissa assiale | Quantità di compressione | 0.60~0.40 | 0.70~0.504 | 0.85~0.55 | 0.90~0.65 | 1.3~0.9 | 1.6~1.0 | ||
| Dimensione della scanalatura | h | 1.3~1.5 | 1.7~1.9 | 2.25~2.55 | 2.60~2.85 | 4.40~4.80 | 7.00~2.60 | ||
| b | 2.50 | 3.20 | 4.2 | 4.70 | 7.50 | 11.2 | |||
| r≤ | 0.40 | 0.7 | 0.80 | ||||||
| Per lo sport | Quantità di compressione | 0.47~0.28 | 0.47~0.27 | 0.54~0.30 | 0.60~0.324 | 0.85~0.45 | 1.06~0.68 | ||
| Dimensione della scanalatura | h | 1.43~1.62 | 1.93~2.13 | 2.65~2.80 | 2.90~3.18 | 4.85~5.25 | 7.54~7.92 | ||
| b | Senza anello di ritegno | 2.5 | 3.2 | 4.2 | 4.70 | 7.5 | 11.2 | ||
| Aggiungere un anello di sicurezza | 3.9 | 4.4 | 5.2 | 6.0 | 9.0 | 13.2 | |||
| Aggiungere due anelli di sicurezza | 5.40 | 6.0 | 7.0 | 7.8 | 11.5 | 17.2 | |||
| r≤ | 0.4 | 0.7 | 0.8 | ||||||
| Nota: h si riferisce all'altezza della scanalatura; b rappresenta la larghezza della trincea; r si riferisce allo smusso della scanalatura. | |||||||||
3. Requisiti di lavorazione della scanalatura dell'O-ring
Per evitare perdite dovute a graffi e a un'installazione non corretta, durante l'installazione degli O-Ring sono necessari alcuni requisiti per la precisione delle scanalature e dei relativi componenti.
In primo luogo, i bordi passanti durante l'installazione devono essere smussati o arrotondati e il foro interno passante deve essere smussato con un angolo di 10-20 gradi.
In secondo luogo, è necessario considerare attentamente la precisione della superficie lungo il percorso di installazione dell'O-ring. L'albero deve avere un basso valore di rugosità e, se necessario, deve essere lubrificato.
I requisiti per la precisione della scanalatura di installazione e della superficie di accoppiamento sono riportati nella Tabella IV.
Tabella IV Finitura superficiale delle parti di accoppiamento della scanalatura di tenuta in gomma a forma di O
| superficie | Applicazioni | Condizione di pressione. | Finitura superficiale |
| Fondo e lati della trincea | Tenuta stagna | Non alternato e non pulsato, | R.3.2um |
| Alternanza o impulso, | R.1.6um | ||
| Tenuta dinamica, | Non alternato e non pulsato. | ||
| Superficie di accoppiamento | Tenuta stagna | Non alternato e non pulsato. | R.1.6um. |
| Alternanza o impulso, | R.0.8um | ||
| Tenuta dinamica | R0,4 μ m |
La scelta del materiale dell'O-ring tiene conto dei seguenti fattori:
In genere, la gomma nitrilica viene utilizzata per la resistenza all'olio, la gomma cloroprene per la resistenza agli agenti atmosferici e all'ozono, la gomma acrilica o clorocaucciù per la resistenza al calore, la gomma poliuretanica per la resistenza alle alte pressioni e all'usura e la gomma copolizolo per la resistenza al freddo e all'olio.
L'ambito di applicazione dei vari adesivi è riportato nella Tabella 5.
Tabella V Specifiche per l'utilizzo dei materiali di tenuta O-ring
| Scienza dei materiali | Supporti applicabili | Temperatura di servizio / ℃ | Osservazioni | |
| Per lo sport | Uso statico | |||
| Gomma nitrilica | Olio minerale, benzina, benzene | 80 | -30~120 | |
| Neoprene | Aria, acqua, ossigeno | 80 | -40~120 | Precauzioni per lo sport |
| gomma butilica | Olio animale e vegetale, acido debole, alcali | 80 | -30~110 | Grande deformazione permanente, non adatto all'olio minerale |
| gomma butadiene stirene | Alcali, olio animale e vegetale, aria, acqua | 80 | -30~100 | Non applicabile all'olio minerale |
| Gomma naturale | Acqua, acido debole, base debole | 60 | -30~90 | Non applicabile all'olio minerale |
| gomma siliconica | Olio ad alta e bassa temperatura, olio minerale, olio animale e vegetale, ossigeno, acido debole, base debole | -60~260 | -60~260 | Non adatto per il vapore, evitare l'uso in parti in movimento |
| Polietilene clorosolfonato | Olio ad alta temperatura, ossigeno, ozono | 100 | -10~150 | Evitare l'uso in parti in movimento |
| Gomma poliuretanica | Acqua, olio | 60 | -30~80 | Resistente all'usura, ma evitare l'uso ad alta velocità |
| Fluorogomma | Olio caldo, vapore d'aria, acido inorganico | 150 | -20~200 | |
| teflon | Acidi, basi, vari solventi | -100~260 | Non applicabile alle parti in movimento | |
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