Уплотнительные кольца О-образного сечения: конструкция, материалы и применение.

Введение

Механическая тороидная прокладка, обеспечивающая герметизацию интерфейса.

О-кольцо, также известное как уплотнительное кольцо или тороидальное уплотнение, представляет собой механическую прокладку в форме тора – это кольцо из эластомера с круглым поперечным сечением, предназначенное для установки в паз и сжатия при сборке между двумя или более деталями, создавая герметичное соединение на интерфейсе. О-кольцо может применяться как в статических, так и в динамических приложениях, где между деталями и О-кольцом происходит относительное движение. Примерами динамических применений являются вращающиеся валы насосов и поршни гидравлических цилиндров. Статические применения О-колец включают герметизацию жидкостей или газов, при которой: (1) О-кольцо сжимается, обеспечивая нулевой зазор, (2) материал О-кольца вулканизирован и становится непроницаемым для жидкости или газа, и (3) материал О-кольца устойчив к воздействию и деградации под действием жидкости или газа. Широкий спектр жидкостей и газов, требующих герметизации, обусловил разработку широкого ассортимента материалов для О-колец. О-кольца являются одними из наиболее распространенных уплотнений, используемых в машиностроении, благодаря своей низкой стоимости, простоте изготовления, надежности и несложным требованиям к монтажу. Они прошли испытания и способны выдерживать давление до [значение]. Максимально допустимое давление для уплотнения О-кольцом зависит от твердости материала, материала О-кольца, диаметра поперечного сечения и радиального зазора.

Производство

О-кольца могут быть изготовлены экструзией, литьем под давлением, прессованием или трансферным литьем.

История

Первый патент на O-кольцо датирован 12 мая 1896 года и является шведским патентом. Изобретатель O-кольца, Ю. О. Лундберг, получил этот патент. Патент США на O-кольцо был подан в 1937 году Нильсом Кристенсеном, датским токарем в возрасте 72 лет. В своей предыдущей заявке, поданной в 1933 году и приведшей к патенту 2115383, он начинает со слов: "Настоящее изобретение относится к новым и полезным улучшениям в гидравлических тормозах и, в частности, к улучшенному уплотнению для поршней силовых цилиндров". Он описывает "кольцо круглого сечения, изготовленное из цельной резины или резиновой смеси", и объясняет: "это скольжение или частичное перекатывание кольца замешивает или обрабатывает материал кольца, сохраняя его эластичным и податливым без вредного истирания, вызванного чисто статическим скольжением резины по поверхности. Благодаря этому небольшому вращению или замешиванию срок службы кольца увеличивается". Его заявка, поданная в 1937 году, указывает, что она "является частичным продолжением моей ранее поданной заявки № 704 463 на гидравлические тормоза, поданной 29 декабря 1933 года, ныне патент США № 2 115 383, выданный 26 апреля 1938 года". Вскоре после переезда в Соединенные Штаты в 1891 году он запатентовал систему пневматических тормозов для трамваев. Несмотря на его юридические усилия, патенты переходили от компании к компании, пока не оказались в Westinghouse. Распределение давления в поперечном сечении O-кольца. Оранжевые линии обозначают твердые поверхности, оказывающие высокое давление. Жидкость в зазорах имеет более низкое давление. Мягкое O-кольцо перераспределяет давление по зазорам. O-кольца доступны в различных стандартных метрических и дюймовых размерах. Размеры указываются по внутреннему диаметру и диаметру поперечного сечения (толщине). В США наиболее распространенными стандартными дюймовыми размерами являются спецификации SAE AS568C (например, AS568 214). ISO 3601 1:2012 содержит наиболее часто используемые стандартные размеры, как дюймовые, так и метрические, во всем мире. В Великобритании также существуют стандартные размеры, известные как размеры BS, обычно в диапазоне от BS001 до BS932. Существуют и другие спецификации размеров.

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.

Типичные применения

Успешная конструкция уплотнительного соединения с использованием уплотнительного кольца (O-ring) требует жесткого механического крепления, обеспечивающего предсказуемую деформацию кольца. Это создает расчетные механические напряжения в зонах контакта O-ring. Пока давление удерживаемой среды не превышает контактные напряжения O-ring, утечки не произойдет. Давление удерживаемой среды передается через практически несжимаемый материал O-ring, при этом контактные напряжения возрастают с увеличением давления. Благодаря этому O-ring способен эффективно герметизировать при высоком давлении, если не происходит его механического разрушения. Наиболее распространенным типом разрушения является выдавливание (экструзия) через соединяемые детали. Конструкция уплотнения предусматривает точечный контакт между O-ring и уплотнительными поверхностями. Это позволяет создать высокие локальные напряжения, способные выдерживать высокое давление, не превышая предел текучести материала O-ring. Гибкость материала O-ring компенсирует неровности соединяемых деталей. Однако важно обеспечивать хорошую чистоту поверхности этих деталей, особенно при низких температурах, когда резина O-ring достигает температуры стеклования и становится все более жесткой и хрупкой. Чистота поверхности также особенно важна в динамических приложениях. Слишком шероховатая поверхность приводит к абразивному износу O-ring, а слишком гладкая – к недостаточному смазыванию уплотнения тонкой пленкой жидкости.

Применение вакуума

В вакуумных приложениях проницаемость материала делает точечные контакты неработоспособными. Вместо этого применяются более высокие усилия при монтаже, и кольцо заполняет всю пазу. Также используются круглые опорные кольца, чтобы предотвратить чрезмерную деформацию кольца. Поскольку кольцо подвергается воздействию окружающего давления и парциального давления газов только в области уплотнения, градиенты этих давлений будут крутыми вблизи уплотнения и плавными в объеме материала (в отличие от градиента контактного напряжения – см. Вакуумный фланец #KF.2FQF). В системах высокого вакуума с давлением ниже 10−9 Торр используются уплотнительные кольца из меди или никеля. Кроме того, в вакуумных системах, предназначенных для погружения в жидкий азот, применяются уплотнительные кольца из индия, поскольку резина при низких температурах становится твердой и хрупкой.

Применение при высоких температурах

В некоторых высокотемпературных применениях О-кольца могут нуждаться в установке в состоянии тангенциального сжатия для компенсации эффекта Джоуля-Томпсона.

Другие печати

Хотя изначально О-кольцо получило свое название из-за круглого сечения, в настоящее время существуют различные варианты конструкции сечения. Форма может иметь различные профили, такие как профиль в форме буквы X, обычно называемый X-кольцом, Q-кольцом или под торговой маркой Quad Ring. При сжатии при установке они обеспечивают герметичность с помощью 4 контактных поверхностей – 2 небольших контактных поверхностей сверху и снизу. Это отличается от сравнительно больших единичных контактных поверхностей стандартного О-кольца сверху и снизу. X-кольца чаще всего используются в возвратно-поступательных приложениях, где они обеспечивают снижение трения при движении и прорыве, а также уменьшают риск спирализации по сравнению с О-кольцами. Существуют также кольца с квадратным профилем, обычно называемые квадратными разрезами, точеными разрезами, плоскими разрезами или квадратными кольцами. Когда О-кольца стоили дорого из-за новизны, отсутствия эффективных производственных процессов и высокой трудоемкости, квадратные кольца были введены в качестве экономичной замены О-кольцам. Квадратное кольцо обычно изготавливается путем формования эластомерной гильзы, которая затем обрезается на токарном станке. Этот тип уплотнения иногда дешевле изготавливать с использованием определенных материалов и технологий формования (компрессионное формование, трансферное формование, литье под давлением), особенно при небольших объемах производства. Физические характеристики уплотнения квадратных колец в статических приложениях превосходят характеристики О-колец, однако в динамических приложениях они уступают О-кольцам. Квадратные кольца обычно используются только в динамических приложениях в качестве усилителей в конструкциях уплотнительных крышек. Квадратные кольца также могут быть сложнее в установке, чем О-кольца. Подобные устройства с некруглым поперечным сечением называются уплотнениями, прокладками или сальниками. См. также шайбы. Автомобильные головки цилиндров обычно герметизируются плоскими прокладками, облицованными медью. Ножевые кромки, вдавливаемые в медные прокладки, используются для создания высокого вакуума. Эластомеры или мягкие металлы, которые затвердевают на месте, используются в качестве уплотнителей.

Катастрофа космического шаттла "Челленджер"

Неисправность уплотнительного кольца (O-ring) была установлена как причина катастрофы космического шаттла "Челленджер" 28 января 1986 года. Ключевым фактором стала холодная погода, предшествовавшая запуску. Это было наглядно продемонстрировано профессором физики Калифорнийского технологического института Ричардом Фейнманом в телеэфире, когда он поместил небольшое O-ring в ледяную воду и затем показал его потерю эластичности перед следственной комиссией. Материалом неисправного O-ring был FKM, указанный подрядчиком по производству двигателей шаттла, компанией Morton Thiokol. При охлаждении O-ring ниже температуры стеклования (Tg) он теряет эластичность и становится хрупким. Более того, при охлаждении O-ring вблизи (но не ниже) его Tg, охлажденное O-ring, после сжатия, будет требовать больше времени, чем обычно, для восстановления своей первоначальной формы. O-ring (и все другие уплотнения) работают, создавая положительное давление на поверхность, тем самым предотвращая утечки. В ночь перед запуском были зарегистрированы аномально низкие температуры воздуха. В связи с этим техники NASA провели осмотр; температура окружающей среды находилась в пределах допустимых параметров запуска, и последовательность запуска была разрешена. Однако температура резиновых O-ring оставалась значительно ниже температуры окружающего воздуха. В ходе изучения видеозаписи запуска Фейнман заметил небольшое выделение газа из твердотопливного ускорителя в месте соединения двух сегментов непосредственно перед катастрофой. Это было связано с неисправностью уплотнения O-ring. Вырвавшиеся горячие газы воздействовали на наружный топливный бак, что привело к уничтожению всего аппарата. После аварии производители резины внесли изменения в производственный процесс. Многие O-ring теперь имеют маркировку партии и даты вулканизации, как это принято в фармацевтической промышленности, для точного отслеживания и контроля дистрибуции. Для аэрокосмической и военной техники O-ring обычно поставляются в индивидуальной упаковке с указанием материала, даты вулканизации и информации о партии. При необходимости O-ring могут быть отозваны с производства. Кроме того, O-ring и другие уплотнения регулярно проходят выборочный контроль качества на производстве, а также часто подвергаются дополнительной проверке качества дистрибьютором и конечными потребителями. Что касается самих ускорителей, NASA и Morton Thiokol перепроектировали их, используя новую конструкцию соединения, которая теперь включала три O-ring вместо двух, а сами соединения были оснащены встроенными нагревателями, которые активируются при падении температуры ниже определенного уровня. С момента катастрофы "Челленджер" проблем с O-ring не возникало, и они не сыграли роли в катастрофе космического шаттла "Колумбия" в 2003 году.

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.