О-сақиналар: механикалық тығыздағыштар, қолданылуы, түрлері, материалдары. Гидравликалық жүйелерде, статикалық және динамикалық қолданулар үшін идеалды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Механикалық, тороидті тығыздағыш интерфейсті герметтеуге арналған.
Mechanical, toroid gasket that seals an interface
О-сақина, сондай-ақ орама немесе торикалық буын деп аталады, тор пішіндес механикалық тығыздағыш; ол эластомерден жасалған дөңгелек көлденең қимасы бар, құрама кезінде екі немесе одан көп бөліктер арасында ойыққа орнатылып, сығылатын және интерфейсте герметтеуді қамтамасыз ететін ілмек. О-сақина статикалық немесе динамикалық қолдануда қолданылуы мүмкін, мұнда бөлшектер мен О-сақина арасында салыстырмалы қозғалыс болады. Динамикалық мысалдарға айналмалы сорғы біліктері және гидравликалық цилиндр поршеньдері жатады. О-сақинаның статикалық қолдануы сұйықтықтарды немесе газдарды герметтеуді қамтиды, онда: 1) О-сақинасы қысылып, нөлдік бос кеңістік пайда болады; 2) О-сақина материалы сұйықтықтарға немесе газдарға өткізбейтіндей вулканизацияланады; 3) О-сақина материалы сұйықтықтарға немесе газдарға бұзылуға төзімді болады. Герметтелуі қажетті сұйықтықтар мен газдардың кең ауқымы О-сақина материалдарының кең спектрін әзірлеуді талап етті. О-сақиналар машина құрылымында қолданылатын ең көп таралған тығыздағыштардың бірі болып табылады, өйткені олар арзан, жасау оңай, сенімді және қарапайым монтаждау талаптарына ие. Олар белгілі бір деңгейдегі қысымға төзу үшін сынақтан өткен. О-сақина тығыздағышының ең жоғары ұсынылатын қысымы тығыздағыштың қаттылығына, материалына, көлденең қима диаметріне және радиалды бос кеңістікке байланысты.
An O ring, also known as a packing or a toric joint, is a mechanical gasket in the shape of a torus; it is a loop of elastomer with a round cross section, designed to be seated in a groove and compressed during assembly between two or more parts, forming a seal at the interface. The O ring may be used in static applications or in dynamic applications where there is relative motion between the parts and the O ring. Dynamic examples include rotating pump shafts and hydraulic cylinder pistons. Static applications of O rings may include fluid or gas sealing applications in which: (1) the O ring is compressed resulting in zero clearance, (2) the O ring material is vulcanized solid such that it is impermeable to the fluid or gas, and (3) the O ring material is resistant to degradation by the fluid or gas. The wide range of potential liquids and gases that need to be sealed has necessitated the development of a wide range of O ring materials. O rings are one of the most common seals used in machine design because they are inexpensive, easy to make, reliable and have simple mounting requirements. They have been tested to seal up to of pressure. The maximum recommended pressure of an O ring seal depends on the seal hardness, material, cross sectional diameter, and radial clearance.
Өңдеу
О-сақиналарды экструзия, инъекциялық қалыптау, қысыммен қалыптау немесе трансферттік қалыптау арқылы өндіруге болады.
O rings can be produced by extrusion, injection molding, pressure molding or transfer molding.
Тарих
О сақинаға арналған алғашқы патент 1896 жылғы 12 мамырда швед патенті ретінде тіркелген. О-сақинаның ойлап табушысы Дж.О. Лундберг патент алған. O сақинаға арналған АҚШ патентін 1937 жылы 72 жастағы, Данияда туған машина жасаушы Нильс Кристенсен ұсынған. Ол 1933 жылы берген бұрынғы өтінішінде (патент №2115383) былай деп бастайды: "Бұл өнертабыс гидравликалық тежегіштердің жаңа және пайдалы жетістіктеріне, әсіресе, қуат беру цилиндрлерінің поршеньдеріне арналған жақсартылған тығыздағышқа қатысты". Ол "қатты резеңкеден немесе резеңке қоспасынан жасалған дөңгелек қималы сақинаны" сипаттайды және түсіндіреді: "Сақинаның осы сырғанауы немесе ішінара домалануы сақинаның материалына илемдеу жасап, оны серпімді және иілгіш күйде ұстайды, резеңкенің бетке сырғанағанда болатын зиянды іздердің алдын алады. Осы аз бұрылу немесе илемдеу әрекеті арқасында сақинаның қызмет ету мерзімі ұзарады". Оның 1937 жылы берген өтініші "1933 жылғы 29 желтоқсанда берілген, қазір АҚШ патенті №2,115,383 (1938 жылғы 26 сәуірде берілген) гидравликалық тежегіштерге арналған №704,463 өтінішіме толықтыру болып табылады". 1891 жылы АҚШ-қа көшіп келгеннен кейін ол көп ұзамай трамвайларға арналған пневматикалық тежегіш жүйесін патенттеді. Оның құқықтық күш-жігеріне қарамастан, патенттер компаниядан компанияға ауысып, ақырында Westinghouse компаниясына тиесілі болды. O сақинасының көлденең қимасы бойынша қысымның таралуы. Қызғылт сары сызықтар – жоғары қысымды қолданатын қатты беттер. Тігістердегі сұйықтықтың қысымы төмен. Жұмсақ O сақинасы тігістердегі қысымды теңестіреді. O сақиналары әртүрлі метрикалық және дюймдік стандартты өлшемдерде қол жетімді. Өлшемдері ішкі диаметрі және көлденең қима диаметрімен (қалыңдығы) анықталады. АҚШ-та ең көп қолданылатын стандартты дюймдік өлшемдер SAE AS568C спецификациясына сәйкес келеді (мысалы, AS568 214). ISO 3601 1:2012 әлемде ең көп қолданылатын стандартты өлшемдерді, дюймдік және метрикалық өлшемдерді қамтиды. Ұлыбританияда BS өлшемдері деп аталатын стандартты өлшемдер де бар, әдетте BS001-ден BS932-ге дейін ауытқиды. Басқа да бірнеше өлшемдік талаптар бар.
The first patent for the O ring is dated May 12, 1896, as a Swedish patent. J. O. Lundberg, the inventor of the O ring, received the patent. The US patent for the O ring was filed in 1937 by a then 72 year old Danish born machinist, Niels Christensen. In his previously filed application in 1933, resulting in Patent 2115383, he opens by saying, "This invention relates to new and useful improvements in hydraulic brakes and more particularly to an improved seal for the pistons of power conveying cylinders." He describes "a circular section ring made of solid rubber or rubber composition", and explains, "this sliding or partial rolling of the ring kneads or works the material of the ring to keep it alive and pliable without deleterious effects of scuffing which are caused by purely static sliding of rubber upon a surface. By this slight turning or kneading action, the life of the ring is prolonged." His application filed in 1937 says that it "is a continuation in part of my copending application Serial No. 704,463 for Hydraulic brakes, filed December 29, 1933, now U. S. Patent No. 2,115,383 granted April 26, 1938". Soon after migrating to the United States in 1891, he patented an air brake system for streetcars (trams). Despite his legal efforts, the patents were passed from company to company until they ended up at Westinghouse. Pressure distribution within the cross section of the O ring. The orange lines are hard surfaces, which apply high pressure. The fluid in the seams has lower pressure. The soft O ring bridges the pressure over the seams.]] O rings are available in various metric and inch standard sizes. Sizes are specified by the inside diameter and the cross section diameter (thickness). In the US the most common standard inch sizes are per SAE AS568C specification (e. g. AS568 214). ISO 3601 1:2012 contains the most commonly used standard sizes, both inch and metric, worldwide. The UK also has standards sizes known as BS sizes, typically ranging from BS001 to BS932. Several other size specifications also exist.
Типтік қолданулар
О-сақиналарды сәтті құрастыру үшін О-сақинасына болжамды деформация беретін қатаң механикалық бекіту қажет. Бұл О-сақинаның жанасу беттеріне есептелген механикалық кернеуді енгізеді. Егер ұсталған сұйықтықтың қысымы О-сақинаның жанасу кернеуінен аспаса, ақау пайда болмайды. Ұсталған сұйықтықтың қысымы негізінен икемсіз О-сақина материалы арқылы беріледі, ал қысымның артуымен жанасу кернеуі артады. Осы себепті О-сақинасы механикалық түрде зақымданбаса, жоғары қысымды оңай мөрлей алады. Ең көп кездесетін ақау – жұптасқан бөлшектер арқылы сығылып шығу. Мөрдің конструкциясы О-сақинасы мен мөрленетін беттер арасында нүктелік жанасуды қамтамасыз етуі керек. Бұл О-сақинасының беріктік шегінен аспай, жоғары қысымды ұстауға қабілетті жоғары жергілікті кернеуге мүмкіндік береді. О-сақина материалдарының икемділігі бекіту бөлшектерінің қателіктерін өтеуге мүмкіндік береді. Бірақ осы жұптасқан бөлшектердің жақсы беттік өңдеуін сақтау маңызды, әсіресе төмен температурада, резеңке шыны тәрізді күйге өтіп, икемсіздене түскенде. Беттік өңдеу динамикалық қолдануда да өте маңызды. Тым қабырғалы бет О-сақинасының бетін тозуына себеп болады, ал тым тегіс бет мөрдің сұйықтық пленкасымен жеткілікті майлануына мүмкіндік бермейді.
Successful O ring joint design requires a rigid mechanical mounting that applies a predictable deformation to the O ring. This introduces a calculated mechanical stress at the O ring contacting surfaces. As long as the pressure of the fluid being contained does not exceed the contact stress of the O ring, leaking cannot occur. The pressure of the contained fluid transfers through the essentially incompressible O ring material, and the contact stress rises with increasing pressure. For this reason, an O ring can easily seal high pressure as long as it does not fail mechanically. The most common failure is extrusion through the mating parts. The seal is designed to have a point contact between the O ring and sealing faces. This allows a high local stress, able to contain high pressure, without exceeding the yield stress of the O ring body. The flexible nature of O ring materials accommodates imperfections in the mounting parts. But it is still important to maintain good surface finish of those mating parts, especially at low temperatures where the seal rubber reaches its glass transition temperature and becomes increasingly inflexible and glassy. Surface finish is also especially important in dynamic applications. A surface finish that is too rough will abrade the surface of the O ring, and a surface that is too smooth will not allow the seal to be adequately lubricated by a fluid film.
Вакуумдық қолдану
Вакуумды қолданғанда материалдың өтімділігі нүктелік контактілерді қолдануға жарамсыз етеді. Оның орнына, жоғары монтаждау күштері қолданылады және сақина бүкіл ойықты толтырады. Сондай-ақ, сақинаны тым көп деформациядан қорғау үшін дөңгелек сақиналар қолданылады. Сақина тек тығыздық орнында қоршаған ортаның қысымына және газдардың ішінара қысымына ұшырайтындықтан, олардың градиенттері тығыздыққа жақын жерде тік, ал көлемде беткей болады (контактілік кернеу градиентіне қарама-қарсы. (Вакуумдық фланцтарға қараңыз #KF.2FQF)). 10−9 Торр-дан төменгі жоғары вакуум жүйелерінде мыс немесе никель О-сақиналары қолданылады. Сұйық азотқа батырылатын вакуум жүйелерінде индий О-сақиналары қолданылады, себебі каучук төмен температурада қатты және сынғыш болады.
In vacuum applications, the permeability of the material renders the point contacts unusable. Instead, higher mounting forces are used and the ring fills the whole groove. Also, round back up rings are used to save the ring from excessive deformation. Because the ring is subject to the ambient pressure and the partial pressure of gases only at the seal, their gradients will be steep near the seal and shallow in the bulk (opposite to the gradient of the contact stress (See Vacuum flange#KF.2FQF.) High vacuum systems below 10−9 Torr use copper or nickel O rings. Also, vacuum systems that have to be immersed in liquid nitrogen use indium O rings, because rubber becomes hard and brittle at low temperatures.
Жоғары температурадағы қолдану
Кейбір жоғары температуралық қолданыстарда, Гоу-Жуль эффектісін толықтыру үшін О сақиналарын жанама қысыммен орнату қажет болуы мүмкін.
In some high temperature applications, O rings may need to be mounted in a tangentially compressed state, to compensate for the Gow Joule effect.
Басқа мөрлер
О-сақина бастапқыда дөңгелек қимасымен аталған болса да, қазір қима дизайнында түрленулер бар. Пішін әртүрлі профильдерге ие болуы мүмкін, мысалы, X пішіндес профиль, әдетте X сақинасы, Q сақинасы немесе тауарлық белгісі Quad Ring деп аталады. Орнату кезінде қысымға ұшырағанда, олар 4 жанасу бетімен тығыздалады – жоғары және төменгі жағында 2 кішкентай жанасу беті. Бұл стандартты О-сақинаның салыстырмалы түрде үлкен, жоғары және төменгі жағындағы жалғыз жанасу беттерінен өзгеше. X сақиналары көбінесе поршеньдік қозғалыс қолданылатын жағдайларда қолданылады, онда О-сақиналарымен салыстырғанда төмендеу және ажыралу кезіндегі үйкеліс азаяды және спиральға айналу қаупі төмендейді. Сондай-ақ, шаршы профильді сақиналар бар, олар көбінесе шаршы кесім, токарлық кесім, тіктөртбұрышты кесім немесе шаршы сақиналар деп аталады. О-сақиналары жаңалықтары, тиімді өндіріс процестерінің болмауы және еңбек шығындарының жоғары болуы салдарынан қымбатқа сатылған кезде шаршы сақиналар О-сақиналарына экономикалық балама ретінде енгізілді. Шаршы сақина әдетте эластомерлік гильзаны қалыптау арқылы жасалады, содан кейін токарлық станокта кесіледі. Мұндай тығыздағыштарды өндіру кейбір материалдармен және қалыптау технологияларымен (қысыммен қалыптау, трансферлік қалыптау, инъекциялық қалыптау) әсіресе аз көлемде арзан болуы мүмкін. Шаршы сақиналардың статикалық қолданыстағы физикалық тығыздау қабілеті О-сақиналарынан жоғары, бірақ динамикалық қолданыста О-сақиналарынан төмен. Шаршы сақиналар көбінесе динамикалық қолданыста ғана қақпақ тығыздағыштарындағы күштендіргіштер ретінде қолданылады. Шаршы сақиналарды О-сақиналарына қарағанда орнату қиынырақ болуы мүмкін. Дөңгелек емес көлденең қимасы бар ұқсас құрылғылар тығыздағыштар, қаптамалар немесе прокладкалар деп аталады. Сондай-ақ, шайбаларды қараңыз. Автокөліктің цилиндр бастары әдетте мыспен қапталған жазық прокладкалармен тығыздалады. Жоғары вакуум үшін мыс прокладкаларына басылған пышақ жиектері қолданылады. Эластомерлер немесе орнында қаттыланатын жұмсақ металдар тығыздағыштар ретінде қолданылады.
Although the O ring was originally so named because of its circular cross section, there are now variations in cross section design. The shape can have different profiles, such as an x shaped profile, commonly called the X ring, Q ring, or by the trademarked name Quad Ring. When squeezed upon installation, they seal with 4 contact surfaces—2 small contact surfaces on the top and bottom. This contrasts with the standard O ring's comparatively larger single contact surfaces top and bottom. X rings are most commonly used in reciprocating applications, where they provide reduced running and breakout friction and reduced risk of spiraling when compared to O rings. There are also rings with a square profile, commonly called square cuts, lathe cuts, tabular cut or Square rings. When O rings were selling at a premium because of the novelty, lack of efficient manufacturing processes and high labor content, Square rings were introduced as an economical substitution for O rings. The square ring is typically manufactured by molding an elastomer sleeve which is then lathe cut. This style of seal is sometimes less expensive to manufacture with certain materials and molding technologies (compression molding, transfer molding, injection molding), especially in low volumes. The physical sealing performance of square rings in static applications is superior to that of O rings, however in dynamic applications it is inferior to that of O rings. Square rings are usually used only in dynamic applications as energizers in cap seal assemblies. Square rings can also be more difficult to install than O rings. Similar devices with a non round cross sections are called seals, packings or gaskets. See also washers. Automotive cylinder heads are typically sealed by flat gaskets faced with copper. Knife edges pressed into copper gaskets are used for high vacuum. Elastomers or soft metals that solidify in place are used as seals.
Challenger ғарыш айлағының апаты
1986 жылғы 28 қаңтарда «Челленджер» ғарыш шаттлының апатының себебі О-сақина мөрiнiң бұзылуы деп анықталды. Ұшыру алдындағы суық ауа райы – маңызды фактор болды. Бұл құбылысты Калифорния Технологиялық институтының физика профессоры Ричард Фейнман теледидар арқылы көрсетті. Ол кiшкентай О-сақинаны мұздай суға салып, кейін тергеу комиссиясы алдында оның икемдiлiгiн жоғалтқанын көрсетті. Бұзылған О-сақинаның материалдары FKM болды, оны шаттл қозғалтқыштарын жасаушы мердігер «Мортон Тиокол» анықтаған. О-сақина өз шыны өтпелі температурасы Tg-ден төмен салқындатылғанда, икемдiлiгiн жоғалтып, қатаң болады. Ең бастысы, О-сақинасы Tg-ға жақын (бірақ одан жоғары емес) суытылғанда, қысылғаннан кейін суық О-сақинасы бастапқы пішінiне оралуға қалыптыдан ұзақ уақыт кетеді. О-сақиналар (және барлық басқа мөрлер) бетке оң қысым жасап, осы арқылы ағып кетудiң алдын алып жұмыс iстейдi. Ұшыру алдындағы түнi ауа температурасы тым төмен болды. Осыған байланысты NASA техникалық қызметкерлерi тексеру жүргiздi; қоршаған орта температурасы ұшыру параметрлерi шегiнде болды және ұшыру тiзбегiн жалғастыруға рұқсат берiлдi. Дегенмен, резеңке О-сақиналардың температурасы қоршаған ауа температурасынан әлдеқайда төмен болды. Фейнман ұшыру кадрларын зерттеу барысында, апатқа тiкелей қатысқан сәттерде екі сегмент арасындағы бiрлесiмде қатты ракеталық күштендiргiштен газдың аз мөлшерде шығуын байқады. Бұл бұзылған О-сақина мөрiнiң салдарынан болды. Шыққан жоғары температуралы газ сыртқы бакқа тиiп, нәтижесiнде бүкiл аппарат жойылды. Апаттан кейiн резеңке өндiрушi компаниялар өзгерiстер енгiздi. Көптеген О-сақиналар ендi медициналық өндiрiсте қолданылатын партиялық және вулкандау күнін көрсететін кодтамамен келедi, бұл таралуды нақты бақылауға мүмкiндiк бередi. Ғарыш және әскери қолдану үшін О-сақиналар әдетте жеке қаптамаланған және материал, вулкандау күні және партия туралы ақпаратпен белгіленген. Қажет болған жағдайда О-сақиналарды сатудан керi алуға болады. Сонымен қатар, О-сақиналар мен басқа да мөрлер өндiрушiлермен сапаны бақылау үшiн жүйелi түрде сыналады және көбiнесе дистрибьютор мен соңғы пайдаланушылар тарапынан сапаны қамтамасыз ету үшiн бiрнеше рет қосымша сынақтан өткiзiледi. Ал күштендiргiштерге келетiн болсақ, NASA және «Мортон Тиокол» оларды жаңа бiрлесiмдi дизайнмен қайта жасады, ендi ол екі емес, үш О-сақинаны қамтиды, ал бiрлесiмдердiң өзi температура төмендеген кезде қосылатын жылытқыштармен жабдықталған. «Челленджерден» берi О-сақиналармен байланысты ешқандай мәселелер тумады және олар 2003 жылғы «Колумбия» ғарыш шаттлының апатында рөл атқармады.
The failure of an O ring seal was determined to be the cause of the Space Shuttle Challenger disaster on January 28, 1986. A crucial factor was cold weather prior to the launch. This was famously demonstrated on television by Caltech physics professor Richard Feynman, when he placed a small O ring into ice cold water, and subsequently showed its loss of flexibility before an investigative committee. The material of the failed O ring was FKM, which was specified by the shuttle motor contractor, Morton Thiokol. When an O ring is cooled below its glass transition temperature Tg, it loses its elasticity and becomes brittle. More importantly, when an O ring is cooled near (but not beyond) its Tg, the cold O ring, once compressed, will take longer than normal to return to its original shape. O rings (and all other seals) work by producing positive pressure against a surface, thereby preventing leaks. On the night before the launch, exceedingly low air temperatures were recorded. Due to this, NASA technicians performed an inspection; the ambient temperature was within launch parameters, and the launch sequence was allowed to proceed. However, the temperature of the rubber O rings remained significantly lower than that of the surrounding air. During his investigation of the launch footage, Feynman observed a small out gassing event from the Solid Rocket Booster at the joint between two segments in the moments immediately preceding the disaster. This was blamed on a failed O ring seal. The escaping high temperature gas impinged upon the external tank, and the entire vehicle was destroyed as a result. Since the accident, rubber production companies have enacted changes. Many O rings now come with batch and cure date coding, as is done in medicine production, to precisely track and control distribution. For aerospace and military applications, O rings are usually individually packaged and labeled with the material, cure date, and batch information. O rings can, if needed, be recalled off the shelf. Furthermore, O rings and other seals are routinely batch tested for quality control by the manufacturers, and often undergo quality assurance testing several more times by the distributor and ultimate end users. As for the boosters themselves, NASA and Morton Thiokol redesigned them with a new joint design, which now incorporated three O rings instead of two, with the joints themselves having onboard heaters that can be turned on when temperatures drop below No O ring issues have occurred since Challenger, and they did not play a role in the Space Shuttle Columbia disaster of 2003.