Tudo o que você precisa saber sobre O-Rings: Características, funções e seleção de materiais

Um O-ring é um tipo de anel de vedação de borracha que tem uma seção transversal circular. Seu nome vem de sua seção transversal em forma de O e é comumente chamado de 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, ele é amplamente utilizado devido à sua acessibilidade, facilidade de fabricação, desempenho confiável e requisitos de instalação simples. Como resultado, o O-ring é o projeto mais amplamente usado para vedação mecânica.

O O-ring pode suportar alta pressão, medida em dezenas de megapascal (quilopounds). Ele pode ser utilizado em aplicações estáticas e dinâmicas em que os componentes se movem uns em relação aos outros, como em eixos de bombas rotativas e pistões de cilindros hidráulicos.

1. Visão geral

1.1 Características do O-ring

Um O-ring é um pequeno elemento de vedação em forma de anel que normalmente tem uma seção transversal circular. O principal material usado em sua fabricação é um composto de moldagem sintético, o que o torna o tipo de vedação mais amplamente usado na engenharia hidráulica. Ele é usado principalmente para vedações estáticas e deslizantes.

Em comparação com outras vedações, o anel O-ring tem várias vantagens, inclusive:

a. Vedação eficaz e longa vida útil

b. A capacidade de vedar em ambas as direções com um único anel

c. Boa compatibilidade com óleo, temperatura e 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 usada como vedação estática ou dinâmica

h. Tamanho e ranhura padronizados, o que torna conveniente a seleção e o fornecimento

Uma das desvantagens do O-ring é que, quando usado como vedação dinâmica, ele tem uma grande resistência ao atrito, que é cerca de 3 a 4 vezes maior do que seu atrito dinâmico. Além disso, ele é propenso a ser espremido na barreira sob alta pressão.

1.2 Representação

1GB/T3452.1-1982 método de expressão

Diâmetro interno d1 × diâmetro do fio d2

Por exemplo:

• O-ring 20 × 2,4 GB3452.1-82

O "20" indica que o diâmetro interno do O-ring é de 20 mm.

O "2,4" refere-se ao diâmetro da seção 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.

• 24002000 GB3452.1-82

O "2400" representa o diâmetro da seção transversal do O-ring, que é de 2,4 mm.

O "0200" indica que o diâmetro interno 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 interno do O-ring.

O "1,8" refere-se ao diâmetro da seção transversal do O-ring.

A série "G" refere-se ao "O-ring universal". Há outras séries, como a "A", que significa "O-ring for Aerospace" (anel O-ring para o setor 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. Há outras séries com diferentes diâmetros de arame, como:

• "B" para anel O-ring com diâmetro de fio de 2,65 mm
• "C" para diâmetro do fio do anel em O de 3,55 mm
• "D" para o diâmetro do fio do anel em O de 5,30 mm
• "E" para o diâmetro do fio do O-ring de 7,30 mm

2. Estado de funcionamento da vedação do anel O-ring

2.1 Função do anel O-ring para vedação estática

O O-ring é um tipo de vedação por extrusão. O princípio básico de um selo de extrusão é que ele se baseia na deformação elástica do selo para criar pressão de contato na superfície de vedação. Se essa pressão de contato for maior do que a pressão interna do meio vedado, não haverá vazamento; caso contrário, ocorrerá vazamento. O processo no qual o próprio meio altera o estado de contato do O-ring para obter a vedação é chamado de "autovedação".

Pré-vedação do anel Q

Efeito de autovedação:

Devido ao efeito de pré-selagem, o O-ring está em contato próximo tanto com a superfície lisa selada quanto com o fundo da ranhura. Como resultado, quando o fluido entra na ranhura por uma fenda, ele atua somente em um lado do O-ring. Quando a pressão do fluido é alta, ele empurra o O-ring para o outro lado da ranhura e o comprime em forma de D, transferindo a pressão para a superfície de contato.

No entanto, a capacidade de autovedação dos O-rings é limitada. Quando a pressão interna é muito alta, o O-ring pode sofrer "extrusão de borracha". Isso ocorre quando há uma lacuna no ponto de vedação e a alta pressão causa concentração de tensão na lacuna. Quando a tensão atinge um determinado nível, a borracha é espremida para fora. Embora o O-ring possa manter temporariamente a vedação, na verdade ele foi danificado. Portanto, é importante selecionar cuidadosamente o O-ring adequado para a aplicação.

2.2 Função do anel O-ring para vedação dinâmica

Em vedações dinâmicasEm uma vedação dinâmica, os efeitos de pré-selagem e autosselagem do O-ring são semelhantes aos das vedações estáticas. No entanto, a situação é mais complicada em vedações dinâmicas devido ao potencial de introdução de fluido entre o O-ring e a haste durante o movimento.

Quando a haste estiver em operação, se o lado esquerdo do anel O-ring sofrer a ação da pressão média P1 (conforme mostrado na Figura a), a pressão de contato gerada pelo anel O-ring na haste será maior que P1 devido ao efeito de autovedação, garantindo a vedação.

No entanto, quando a haste começa a se mover para a direita, o meio preso à haste é trazido para o espaço entre o O-ring e a haste (Figura b). Devido ao efeito hidrodinâmico, a pressão dessa parte do fluido é maior do que P1 e pode exceder a força de contato do O-ring na haste, fazendo com que o fluido se aperte na primeira ranhura do O-ring (Figura c). À medida que a haste continua a se mover para a direita, o meio continuará a entrar na próxima ranhura, resultando em vazamento na direção do movimento da haste.

É menos provável que ocorra vazamento quando a haste se move para a esquerda, pois a direção de acionamento é oposta à direção da pressão da haste. A probabilidade de vazamento aumenta com a viscosidade do meio e a velocidade do movimento da haste, além de estar intimamente relacionada ao tamanho e à pressão de trabalho do O-ring.

2.3 SForma de vedação do O-ring

1. Os anéis de vedação podem ser categorizados com base no movimento relativo entre o anel de vedação e o dispositivo vedado:

• Vedações estáticas
• Vedações recíprocas
• Vedações rotativas
• Vedações do interruptor

2. A compressão (estanqueidade) do ajuste da vedação por compressão do anel O-ring na ranhura retangular pode ser dividida em cinco ajustes básicos de vedação:

• Ajuste de compressão
• Ajuste de aperto da manga
• Ajuste hidráulico
• Ajuste pneumático
• Ajuste rotativo

Além disso, há um ajuste de vedação por compressão na ranhura do chanfro da face da extremidade, bem como dois métodos especiais de vedação:

• Vedação deslizante
• Vedação flutuante

3. A estrutura das peças vedadas pode ser usada para categorizar os anéis de vedação O-ring nos seguintes tipos:

• Vedações de extremidade, que incluem vedações axiais e vedações angulares (como vedações de ranhura de chanfro na superfície da extremidade de um furo ou eixo)
• Vedações cilíndricas, que incluem vedações radiais (como vedações cilíndricas de diâmetro interno para hastes de pistão e vedações cilíndricas de diâmetro externo para pistões)
• Vedações cônicas
• Vedações esféricas.

3. Projeto e aplicação de O-ring

3.1 SParâmetros de serviço do O-ring

3.1.1 Ctaxa de compressão

A taxa de compressão (W) de um O-ring é expressa como:

W = (d2 - h) / d2 × 100%

Onde:

d2 - O diâmetro da seção transversal do O-ring em seu estado livre (mm)

h - A distância entre a parte inferior da ranhura do anel O-ring e a superfície vedada (profundidade da ranhura), que é a altura da seção transversal do anel O-ring após a compressão (mm).

Ao escolher a taxa de compressão de um O-ring, é importante considerar os seguintes fatores:

• Área de contato de vedação adequada
• Atrito mínimo
• Evitar a deformação permanente

A seleção da taxa de compressão (W) também deve levar em conta as condições de serviço e o fato de se tratar de uma vedação estática ou dinâmica.

Os selos estáticos podem ser divididos em selos radiais e selos axiais. Os selos radiais têm folgas radiais e os selos axiais têm folgas axiais.

Os selos axiais podem ser divididos em selos de pressão interna e selos de pressão externa, dependendo do fato de o meio de pressão atuar no diâmetro interno ou no diâmetro externo do O-ring. A pressão interna aumenta a tensão, enquanto a pressão externa diminui a tensão inicial do O-ring.

Para essas diferentes formas de vedações estáticas, a direção do meio de vedação no anel O-ring é diferente, portanto, o projeto de pré-pressão também é diferente.

Para vedações dinâmicas, é importante distinguir entre vedações recíprocas e vedações rotativas.

• Vedação estática: O dispositivo de vedação estático cilíndrico é semelhante ao dispositivo de vedação alternativo e, normalmente, tem uma taxa de compressão de -10% a 15%. O dispositivo de vedação estática plana tem uma taxa de compressão de -15% a 30%.
• Para vedações dinâmicas, ele pode ser dividido em três casos: O movimento alternativo normalmente tem uma taxa de compressão de 10% a -15%.

Ao selecionar a taxa de compressão para vedações de movimento rotativo, é necessário considerar o efeito do calor de Joule. Geralmente, o diâmetro interno do anel O-ring usado para movimento rotativo é de 3% a 5% maior que o diâmetro do eixo, e a taxa de compressão do diâmetro externo é de -3% a 8%.

Para anéis O-ring usados em aplicações de baixo atrito, uma pequena taxa de compressão de 5% a 8% é normalmente selecionada para reduzir a resistência ao atrito. 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%, além da deformação de compressão determinada. Se esse intervalo for excedido, isso indica que o seleção de materiais é inadequado e um material diferente para o O-ring deve ser usado ou a taxa de deformação por compressão fornecida deve ser corrigida.

3.1.2 Squantidade de alongamento

Depois que o O-ring é instalado na ranhura de vedação, ele normalmente tem um certo nível de tensão. Essa tensão, assim como a taxa de compressão, afeta muito o desempenho da vedação e a vida útil do O-ring. A tensão excessiva dificulta a instalação do O-ring e reduz a taxa de compressão, levando a vazamentos.

O valor do alongamento pode ser calculado usando a seguinte fórmula:

a = (d + d2) / (d1 + d2)

Onde:

d - diâmetro do eixo (mm) d1 - diâmetro interno do anel O-ring (mm)

A faixa recomendada para a quantidade de alongamento é de 1% a 5%. A Tabela 1 apresenta a quantidade de alongamento recomendada para os anéis em O, e a quantidade de alongamento pode ser selecionada e limitada com base no tamanho do diâmetro do eixo.

Tabela I Limites da taxa de compressão e quantidade de estiramento do O-ring

3.2 Iranhura de instalação do O-ring

A compressão de um O-ring é determinada principalmente pelo design e pelas dimensões da ranhura de instalação.

As ranhuras retangulares e triangulares são as formas mais comumente usadas, sendo que as ranhuras triangulares são utilizadas apenas para vedações fixas específicas.

Os formatos das ranhuras dos selos estáticos, selos alternativos e selos dinâmicos podem ser semelhantes, mas seus tamanhos variam para acomodar diferentes requisitos de compressão.

3.2.1 Slargura do lote

A largura do slot é considerada sob as três perspectivas a seguir:

• Ele deve ser maior do que o diâmetro máximo do O-ring após a deformação por compressão.
• O impacto do aquecimento induzido pelo movimento sobre a expansão e o inchaço do O-ring deve ser levado em conta.
• Deve haver espaço adequado na ranhura para permitir que o anel O-ring role livremente durante o movimento recíproco.

Em geral, recomenda-se que a área da seção transversal do O-ring ocupe pelo menos 85% da área da seção transversal retangular. Em muitos casos, a largura da ranhura é 1,5 vez o diâmetro da seção transversal do O-ring.

É importante observar que uma ranhura estreita aumentará o atrito e causará maior desgaste no O-ring. Por outro lado, se a ranhura for muito larga, ela aumentará a amplitude de movimento do O-ring e o tornará mais suscetível ao desgaste. Além disso, em vedações estáticas com pressão pulsante, o O-ring pode apresentar movimento pulsante e desgaste anormal.

Em situações de alta pressão, é necessário usar um anel de retenção, e a largura da ranhura deve ser aumentada de acordo.

3.2.2 GProfundidade do rolo

A profundidade da ranhura é um fator crucial para o funcionamento adequado do O-ring. Ela depende principalmente da deformação por compressão do O-ring.

Essa deformação é composta pela deformação de compressão (A1) no diâmetro interno do O-ring e pela deformação de compressão (A2) no diâmetro externo do O-ring.

Quando A1=A2, a seção transversal do anel O-ring coincide com o centro da seção transversal da ranhura e os dois círculos são iguais, indicando que o anel O-ring não é esticado durante a instalação.

Quando A1>A2, a circunferência do centro da seção do anel em O é menor do que a do centro da ranhura, indicando que o anel em O está instalado em um estado esticado.

Quando A1<A2, o perímetro da seção do O-ring é maior do que o perímetro central da seção da ranhura. Nesse caso, o anel O-ring é instalado com compressão circunferencial e saltará durante a desmontagem.

Ao projetar a profundidade da ranhura, o uso pretendido do O-ring deve ser considerado primeiro, seguido pela seleção de uma taxa de deformação por compressão razoável. O inchaço do material no meio, o inchaço do próprio material e outros fatores relacionados também devem ser levados em conta.

No entanto, existem padrões relevantes fornecidos pelo estado para a estrutura das ranhuras.

3.2.3 Sseleção e design de ranhuras

1. Forma de instalação da ranhura

Explique:

• Para evitar que o anel O-ring seja danificado por ser comprimido em uma lacuna, geralmente recomenda-se fixar a vedação quando a pressão de trabalho do líquido for superior a 10 MPa. Se a pressão do líquido for superior a 32 MPa, um anel de vedação deve ser adicionado (conforme mostrado na Fig. c). O número de anéis depende da pressão do O-ring.
• Quando houver pressão externa aplicada à vedação axial, é importante adicionar uma saliência no diâmetro d8 para evitar que o anel O-ring entre na tubulação.

Tabela II Tamanho da ranhura radial do O-ring

A China estabeleceu padrões para a série de tamanhos de ranhuras dos anéis O-ring. Os detalhes podem ser encontrados na Tabela 3.

Tabela III Tamanho da ranhura e compressão para vedação

3. Requisitos de processamento da ranhura do anel O-ring

Para evitar vazamentos devido a arranhões e instalação inadequada, há determinados requisitos para a precisão das ranhuras e dos componentes relacionados durante a instalação dos anéis O-ring.

Primeiro, as bordas que passam durante a instalação devem ser rombas ou arredondadas, e o orifício interno que passa por ele deve ser chanfrado em um ângulo de 10 a 20 graus.

Em segundo lugar, a precisão da superfície ao longo do caminho 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 ranhura de instalação e a precisão da superfície correspondente podem ser encontrados na Tabela IV.

Tabela IV Acabamento da superfície das peças conjugadas da ranhura da vedação de borracha em forma de O

3.3 Mseleção de material do O-ring

A seleção do material do anel O-ring leva em conta os seguintes fatores:

• O estado de funcionamento do O-ring, por exemplo, se ele é usado para vedação estática, vedação dinâmica ou vedação deslizante.
• O estado operacional da máquina, incluindo se ela funciona de forma contínua ou intermitente, a duração de cada interrupção e seu impacto sobre o componente de vedação.
• O meio de trabalho, seja ele gás ou líquido, e suas propriedades físicas e químicas.
• A pressão de trabalho, incluindo a magnitude da pressão, a amplitude da flutuação, a frequência e a pressão instantânea máxima.
• A temperatura de trabalho, incluindo a temperatura instantânea e a temperatura alternada de quente e frio.
• O custo e a disponibilidade.

Normalmente, a borracha nitrílica é usada para resistência ao óleo, a borracha de cloropreno para resistência às intempéries e ao ozônio, a borracha de acrilato ou borracha de cloro para resistência ao calor, a borracha de poliuretano para resistência à alta pressão e ao desgaste e a borracha de copoliazol para resistência ao frio e ao óleo.

O escopo de aplicação de vários adesivos pode ser encontrado na Tabela 5.

Tabela V Especificação para uso de materiais de vedação O-ring