Este artigo explora o fascinante mundo dos O-rings, revelando o seu papel crucial na garantia da fiabilidade mecânica. Aprenda com engenheiros experientes que partilham os seus conhecimentos especializados sobre a seleção de materiais, considerações de design e sugestões de manutenção. Mergulhe para descobrir os segredos por detrás destes componentes vitais!
Um O-ring é um tipo de anel de vedação de borracha que tem uma secção transversal circular. O seu nome deve-se à sua secção transversal em forma de O e é normalmente designado por O-ring.
O O-ring foi introduzido pela primeira vez em meados do século XIX como um elemento de vedação para cilindros de motores a vapor. Atualmente, é amplamente utilizado devido ao seu preço acessível, facilidade de fabrico, desempenho fiável e requisitos de instalação simples. Como resultado, o O-ring é o modelo mais utilizado para vedação mecânica.
O O-ring pode suportar pressões elevadas, medidas em dezenas de megapascal (quilopounds). Pode ser utilizado em aplicações estáticas e dinâmicas em que os componentes se movem uns em relação aos outros, como em veios de bombas rotativas e pistões de cilindros hidráulicos.
Um O-ring é um pequeno elemento de vedação em forma de anel que, normalmente, tem uma secção transversal circular. O principal material utilizado no seu fabrico é um composto de moldagem sintético, o que faz dele o tipo de vedação mais utilizado na engenharia hidráulica. É utilizado principalmente para vedações estáticas e deslizantes.
Em comparação com outros vedantes, o O-ring tem várias vantagens, incluindo:
a. Vedação eficaz e longa vida útil
b. A capacidade de vedar em ambas as direcções com um único anel
c. Boa compatibilidade com o óleo, a temperatura e a pressão
d. Baixa resistência ao atrito dinâmico
e. Tamanho pequeno, peso leve e baixo custo
f. Uma estrutura de vedação simples e fácil de desmontar
g. A capacidade de ser utilizado como vedante estático ou dinâmico
h. Tamanho e ranhura normalizados, o que facilita a seleção e o fornecimento
Uma das desvantagens do O-ring é que, quando utilizado como vedante dinâmico, tem uma grande resistência ao atrito, que é cerca de 3 a 4 vezes superior ao seu atrito dinâmico. Além disso, é suscetível de ser espremido na barreira sob alta pressão.
1GB/T3452.1-1982 método de expressão
Diâmetro interior d1 × Diâmetro do fio d2
Por exemplo:
O "20" indica que o diâmetro interior do O-ring é de 20 mm.
O "2,4" refere-se ao diâmetro da secção transversal do O-ring, que é de 2,4 mm.
"GB3452.1" é o número padrão.
"82" representa o ano em que a norma foi publicada.
O "2400" representa o diâmetro da secção transversal do O-ring, que é de 2,4 mm.
O "0200" indica que o diâmetro interior do O-ring é de 20 mm.
Como no primeiro exemplo, "GB3452.1" é o número da norma e "82" representa o ano em que a norma foi publicada.
2. Representação de GB/T3452.1-2005
Por exemplo:
(1) O-ring 7,5 × 1,8G GB/T3452.1
O "7.5" indica o diâmetro interior do O-ring.
O "1,8" refere-se ao diâmetro da secção transversal do O-ring.
A série "G" refere-se ao "O-ring universal". Existem outras séries, como a "A", que significa "O-ring para a indústria aeroespacial".
(2) A 0 × 0 × 7 × 5XG GB/T3452.1
A série "A" refere-se ao diâmetro do fio do O-ring de 1,80 mm. Existem outras séries com diferentes diâmetros de fio, tais como:
O O-ring é um tipo de vedante de extrusão. O princípio básico de um vedante de extrusão é que este se baseia na deformação elástica do vedante para criar pressão de contacto na superfície de vedação. Se esta pressão de contacto for superior à pressão interna do meio vedante, não haverá fugas; caso contrário, ocorrerão fugas. O processo em que o próprio meio altera o estado de contacto do O-ring para obter a vedação é designado por "autovedação".
Anel Q de pré-selagem
Efeito de auto-vedação:
Devido ao efeito de pré-selagem, o O-ring está em contacto estreito tanto com a superfície lisa selada como com o fundo da ranhura. Como resultado, quando o fluido entra na ranhura através de uma fenda, actua apenas num lado do O-ring. Quando a pressão do fluido é elevada, empurra o O-ring para o outro lado da ranhura e aperta-o em forma de D, transferindo a pressão para a superfície de contacto.
No entanto, a capacidade de auto-selagem dos O-rings é limitada. Quando a pressão interna é demasiado elevada, o O-ring pode sofrer uma "extrusão de borracha". Isto ocorre quando existe uma folga no ponto de vedação e a pressão elevada provoca uma concentração de tensões na folga. Quando a tensão atinge um determinado nível, a borracha é espremida para fora. Embora o O-ring possa manter temporariamente a vedação, na realidade foi danificado. Por isso, é importante selecionar cuidadosamente o O-ring adequado para a aplicação.
Em vedantes dinâmicosNo caso dos vedantes dinâmicos, os efeitos de pré-selagem e de auto-vedação do O-ring são semelhantes aos dos vedantes estáticos. No entanto, a situação é mais complicada nas vedações dinâmicas devido ao potencial de introdução de fluido entre o O-ring e a haste durante o movimento.
Quando a haste está em funcionamento, se o lado esquerdo da junta tórica sofrer a ação de uma pressão média P1 (como indicado na figura a), a pressão de contacto gerada pela junta tórica na haste é superior a P1 devido ao efeito de auto-vedação, assegurando uma vedação.
No entanto, quando a haste começa a mover-se para a direita, o fluido preso à haste é levado para o espaço entre o O-ring e a haste (Figura b). Devido ao efeito hidrodinâmico, a pressão desta parte do fluido é superior a P1 e pode exceder a força de contacto do O-ring com a haste, fazendo com que o fluido se comprima na primeira ranhura do O-ring (Figura c). medida que a haste continua a mover-se para a direita, o fluido continuará a entrar na ranhura seguinte, resultando numa fuga na direção do movimento da haste.
É menos provável que ocorram fugas quando a haste se move para a esquerda, uma vez que a direção de condução é oposta à direção da pressão da haste. A probabilidade de fugas aumenta com a viscosidade do fluido e a velocidade do movimento da haste, além de estar intimamente relacionada com o tamanho e a pressão de trabalho do O-ring.
Além disso, existe um encaixe de vedação por compressão na ranhura do chanfro da face da extremidade, bem como dois métodos de vedação especiais:
3.1.1 Crácio de compressão
A taxa de compressão (W) de um O-ring é expressa como:
W = (d2 - h) / d2 × 100%
Onde:
d2 - O diâmetro da secção transversal do O-ring no seu estado livre (mm)
h - A distância entre o fundo da ranhura do O-ring e a superfície vedada (profundidade da ranhura), que é a altura da secção transversal do O-ring após compressão (mm).
Ao escolher a taxa de compressão de um O-ring, é importante considerar os seguintes factores:
A seleção da taxa de compressão (W) deve também ter em conta as condições de serviço e o facto de se tratar de uma vedação estática ou dinâmica.
Os vedantes estáticos podem ainda ser divididos em vedantes radiais e vedantes axiais. Os vedantes radiais têm folgas radiais e os vedantes axiais têm folgas axiais.
Os vedantes axiais podem ainda ser divididos em vedantes de pressão interna e vedantes de pressão externa, dependendo do facto de o meio de pressão atuar no diâmetro interior ou no diâmetro exterior do O-ring. A pressão interna aumenta a tensão, enquanto a pressão externa diminui a tensão inicial do O-ring.
Para estas diferentes formas de vedantes estáticos, a direção do meio de vedação no O-ring é diferente, pelo que a conceção da pré-pressão também é diferente.
Para vedantes dinâmicos, é importante distinguir entre vedantes alternativos e vedantes rotativos.
Ao selecionar a taxa de compressão para vedantes de movimento rotativo, é necessário considerar o efeito do calor de Joule. Geralmente, o diâmetro interior do O-ring utilizado para o movimento rotativo é 3% a 5% superior ao diâmetro do eixo, e a taxa de compressão do diâmetro exterior é -3% a 8%.
Para O-rings utilizados em aplicações de baixa fricção, é normalmente selecionada uma pequena taxa de compressão de 5% a 8% para reduzir a resistência à fricção. Também é importante considerar a expansão dos materiais de borracha devido ao meio e à temperatura.
Normalmente, a taxa de expansão máxima permitida é de 15%, para além da deformação de compressão indicada. Se este intervalo for excedido, isso indica que o seleção de materiais é inadequado e deve ser utilizado um material diferente para o O-ring ou deve ser corrigida a taxa de deformação por compressão indicada.
3.1.2 Squantidade de estiramento
Depois de o O-ring ser instalado na ranhura de vedação, tem normalmente um certo nível de tensão. Esta tensão, tal como a taxa de compressão, afecta grandemente o desempenho de vedação e a vida útil do O-ring. Uma tensão excessiva dificulta a instalação do O-ring e reduz a taxa de compressão, conduzindo a fugas.
O montante do alongamento pode ser calculado através da seguinte fórmula:
a = (d + d2) / (d1 + d2)
Onde:
d - diâmetro do veio (mm) d1 - diâmetro interior do O-ring (mm)
O intervalo recomendado para a quantidade de estiramento é de 1% a 5%. A Tabela 1 apresenta a quantidade de alongamento recomendada para os O-rings, e a quantidade de alongamento pode ser selecionada e limitada com base no tamanho do diâmetro do eixo.
Quadro I limites da taxa de compressão e da quantidade de estiramento do O-ring
| Formulário de selagem | Meio de vedação | Quantidade de estiramento a (%) | Taxa de compressão w (%) |
| Vedação estática | Óleo hidráulico | 1.03~1.04 | 15~25 |
| Ar | <1.01 | 15~25 | |
| Movimento recíproco | Óleo hidráulico | 1.02 | 12~17 |
| Ar | <1.010.95~1 | 12~173~8 | |
| Movimento de rotação | Óleo hidráulico | 0.95~1 | 3~8 |
A compressão de um O-ring é determinada principalmente pelo desenho e pelas dimensões da ranhura de instalação.
As ranhuras rectangulares e triangulares são as formas mais utilizadas, sendo que as ranhuras triangulares apenas são utilizadas para vedações fixas específicas.
As formas das ranhuras para vedantes estáticos, vedantes alternativos e vedantes dinâmicos podem ser semelhantes, mas as suas dimensões variam para acomodar diferentes requisitos de compressão.
3.2.1 Slargura do lote
A largura da ranhura é considerada a partir das três perspectivas seguintes:
Recomenda-se geralmente que a área da secção transversal do O-ring ocupe pelo menos 85% da área da secção transversal retangular. Em muitos casos, a largura da ranhura é 1,5 vezes o diâmetro da secção transversal do O-ring.
É importante notar que uma ranhura estreita aumentará o atrito e provocará um maior desgaste no O-ring. Por outro lado, se a ranhura for demasiado larga, aumentará a amplitude de movimento do O-ring e torná-lo-á mais suscetível ao desgaste. Além disso, em vedações estáticas com pressão pulsante, o O-ring pode sofrer um movimento pulsante e um desgaste anormal.
Em situações de alta pressão, deve ser utilizado um anel de retenção e a largura da ranhura deve ser aumentada em conformidade.
3.2.2 Gprofundidade da ranhura
A profundidade da ranhura é um fator crucial para o bom funcionamento do O-ring. Depende principalmente da deformação por compressão do O-ring.
Esta deformação é composta pela deformação de compressão (A1) no diâmetro interior do O-ring e pela deformação de compressão (A2) no diâmetro exterior do O-ring.
Quando A1=A2, a secção transversal do O-ring coincide com o centro da secção transversal da ranhura e os dois círculos são iguais, indicando que o O-ring não é esticado durante a instalação.
Quando A1>A2, a circunferência do centro da secção do O-ring é menor do que a do centro da ranhura, indicando que o O-ring está instalado num estado esticado.
Quando A1<A2, o perímetro da secção do O-ring é maior do que o perímetro central da secção da ranhura. Neste caso, o O-ring é instalado com compressão circunferencial e saltará durante a desmontagem.
Ao conceber a profundidade da ranhura, a utilização prevista do O-ring deve ser considerada em primeiro lugar, seguida da seleção de uma taxa de deformação por compressão razoável. O inchaço do material no meio, o inchaço do próprio material e outros factores relacionados também devem ser tidos em conta.
No entanto, existem normas relevantes fornecidas pelo Estado para a estrutura das ranhuras.
3.2.3 Sseleção e conceção de ranhuras
1. Forma de instalação da ranhura
Explicar:
Quadro II Tamanho da ranhura radial do O-ring
| Diâmetro da secção da junta tórica d2 | 1.80 | 2.65 | 3.55 | 5.30 | 7.00 | ||
| largura da vala | Vedação pneumática | 2.2 | 3.4 | 4.6 | 6.9 | 9.3 | |
| Vedante hidráulico dinâmico ou vedante estático | 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 | ||
| Profundidade da ranhura t | Vedante da haste do pistão, (para cálculo d3) | Vedante dinâmico hidráulico | 1.42 | 2.16 | 2.96 | 4.48 | 5.95 |
| Vedação pneumática | 1.46 | 2.23 | 3.03 | 4.65 | 6.20 | ||
| Vedação estática | 1.38 | 2.07 | 2.74 | 4.19 | 5.67 | ||
| Vedante da haste do pistão, (para cálculo d6) | Vedante dinâmico hidráulico | 1.47 | 2.24 | 3.07 | 4.66 | 6.16 | |
| Vedação pneumática | 1.57 | 2.37 | 3.24 | 4.86 | 6.43 | ||
| Vedação estática | 1.42 | 2.15 | 2.85 | 4.36 | 5.89 | ||
| Comprimento mínimo do chanfro Zmin | 1.1 | 1.5 | 1.8 | 2.7 | 3.6 | ||
| Raio de filete do fundo da ranhura r1 | 0.2-0.4 | 0.4-0.8 | 0.8-1.2 | ||||
| Raio de filete da ranhura r2 | 0.1-0.3 | ||||||
| Diâmetro máximo do fundo da ranhura de vedação da haste do pistão d3max=d4+2t, d4 diâmetro da haste do pistão | |||||||
| O diâmetro mínimo do fundo da ranhura de vedação da haste do pistão d6min=d5max+2t, d5max diâmetro máximo da haste do pistão. | |||||||
A China estabeleceu normas para a série de tamanhos de ranhuras dos O-rings. Os pormenores podem ser consultados no Quadro 3.
Quadro III Tamanho da ranhura e compressão para vedação
| Tolerância de dimensão da secção do anel 0 | 1.9±0.08 | 2.4±0.08 | 3.1±0.10 | 3.5±0.10 | 5.7±0.15 | 8.6±0.16 | |||
| Vedação fixa axial | Quantidade de compressão | 0.60~0.40 | 0.70~0.504 | 0.85~0.55 | 0.90~0.65 | 1.3~0.9 | 1.6~1.0 | ||
| Tamanho da ranhura | 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 | ||||||
| Para desporto | Quantidade de compressão | 0.47~0.28 | 0.47~0.27 | 0.54~0.30 | 0.60~0.324 | 0.85~0.45 | 1.06~0.68 | ||
| Tamanho da ranhura | 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 | Sem anel de retenção | 2.5 | 3.2 | 4.2 | 4.70 | 7.5 | 11.2 | ||
| Adicionar um anel de retenção | 3.9 | 4.4 | 5.2 | 6.0 | 9.0 | 13.2 | |||
| Adicionar dois anéis de retenção | 5.40 | 6.0 | 7.0 | 7.8 | 11.5 | 17.2 | |||
| r≤ | 0.4 | 0.7 | 0.8 | ||||||
| Nota: h refere-se à altura da ranhura; b representa a largura da vala; r refere-se ao chanfro da ranhura. | |||||||||
3. Requisitos de processamento da ranhura do O-ring
Para evitar fugas devido a riscos e a uma instalação incorrecta, existem determinados requisitos para a precisão das ranhuras e dos componentes relacionados aquando da instalação dos O-rings.
Em primeiro lugar, as arestas que passam durante a instalação devem ser rombas ou arredondadas, e o orifício interior que passa deve ser chanfrado num ângulo de 10-20 graus.
Em segundo lugar, a precisão da superfície ao longo do trajeto de instalação do O-ring deve ser cuidadosamente considerada. O eixo deve ter um valor de rugosidade baixo e ser lubrificado, se necessário.
Os requisitos para a precisão da ranhura de instalação e da superfície de concordância podem ser consultados no Quadro IV.
Quadro IV Acabamento da superfície das peças de contacto da ranhura de vedação de borracha em forma de O
| superfície | Aplicações | Estado da pressão. | Acabamento da superfície |
| Fundo e lados da vala | Vedação estanque | Não alternado e não pulsado, | R.3.2um |
| Alternado ou pulsado, | R.1.6um | ||
| Vedação dinâmica, | Não alternado e não pulsado. | ||
| Superfície de acoplamento | Vedação estanque | Não alternado e não pulsado. | R.1.6um. |
| Alternado ou pulsado, | R.0.8um | ||
| Vedação dinâmica | R0,4 μ m |
A seleção do material do O-ring tem em conta os seguintes factores:
Normalmente, a borracha nitrílica é utilizada para a resistência ao óleo, a borracha de cloropreno para a resistência às intempéries e ao ozono, a borracha de acrilato ou a borracha de cloro para a resistência ao calor, a borracha de poliuretano para a resistência à alta pressão e ao desgaste e a borracha de copoliazol para a resistência ao frio e ao óleo.
O âmbito de aplicação de várias colas pode ser consultado no Quadro 5.
Quadro V Especificação para a utilização de materiais de vedação O-ring
| Ciência dos materiais | Meios aplicáveis | Temperatura de serviço / ℃ | Observações | |
| Para desporto | Utilização estática | |||
| Borracha nitrílica | Óleo mineral, gasolina, benzeno | 80 | -30~120 | |
| Neopreno | Ar, água, oxigénio | 80 | -40~120 | Precauções para a prática de desporto |
| borracha butílica | Óleo animal e vegetal, ácido fraco, alcalino | 80 | -30~110 | Grande deformação permanente, não adequado para óleo mineral |
| borracha de butadieno-estireno | Álcalis, óleos animais e vegetais, ar, água | 80 | -30~100 | Não aplicável a óleo mineral |
| Borracha natural | Água, ácido fraco, base fraca | 60 | -30~90 | Não aplicável a óleo mineral |
| borracha de silicone | Óleo de alta e baixa temperatura, óleo mineral, óleo animal e vegetal, oxigénio, ácido fraco, base fraca | -60~260 | -60~260 | Não adequado para vapor, evitar a utilização em peças móveis |
| Polietileno clorossulfonado | Óleo a alta temperatura, oxigénio, ozono | 100 | -10~150 | Evitar a utilização em peças móveis |
| Borracha de poliuretano | Água, óleo | 60 | -30~80 | Resistente ao desgaste, mas evitar a utilização a alta velocidade |
| Fluororubber | Óleo quente, vapor de ar, ácido inorgânico | 150 | -20~200 | |
| teflon | Ácidos, bases, solventes diversos | -100~260 | Não aplicável a partes móveis | |
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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