O-ringin Sızdırmazlık Prensibi
O-ring olarak da bilinen bir O-ring, dairesel kesitli bir kauçuk halkadır. Hidrolik ve pnömatik sistemlerde en yaygın kullanılan contadır. O-ringler mükemmel sızdırmazlık özellikleri sunar ve hem statik hem de karşılıklı hareketli contalar için kullanılabilir. Bağımsız olarak kullanılabilirler ve birçok modüler sızdırmazlık sisteminin temel bir bileşenidirler. Geniş bir uygulama alanına sahiptirler. Malzeme doğru seçilirse, çeşitli çalışma koşullarının gereksinimlerini karşılayabilirler. Çalışma basınçları 1,333 × 10⁵Pa'lık bir vakumdan 400 MPa'lık yüksek basınca kadar değişir ve sıcaklıklar -60°C'den 200°C'ye kadar uzanır.
Diğer conta türlerine kıyasla, O-ringlerin aşağıdaki avantajları vardır:
1) Küçük boyut ve kolay montaj ve demontaj.
2) Hem statik hem de dinamik sızdırmazlık için kullanılabilir, statik conta olarak kullanıldığında neredeyse hiç sızıntı olmaz.
3) Tek bir O-ring çift yönlü sızdırmazlık sağlar.
4) Düşük dinamik sürtünme.
O-ring bir ekstrüzyon conta türüdür. Temel çalışma prensibi, conta elemanının elastik deformasyonuna dayanır ve sızdırmazlık yüzeyinde temas basıncı oluşturur. Temas basıncı, sızdırmazlığı sağlanan ortamın iç basıncını aşarsa, sızıntı meydana gelir; aksi takdirde sızıntı meydana gelir. Sızdırmazlık yüzeyindeki temas basıncının nedenleri ve hesaplama yöntemleri statik ve dinamik contalar için farklıdır ve ayrı açıklamalar gerektirir.
1. Statik Contalar İçin Sızdırmazlık Prensibi
O-ringler, statik contalarda en yaygın olarak kullanılır. Doğru tasarlanıp kullanılırsa, O-ringler sızıntısız, mutlak bir sızdırmazlık sağlayabilir.
Bir O-ring bir sızdırmazlık oluğuna takıldıktan sonra, kesiti temas sıkıştırma gerilimine maruz kalır ve elastik deformasyona neden olur. Bu, temas yüzeyinde belirli bir başlangıç temas basıncı Po oluşturur. Hiç veya çok düşük basınç olmasa bile, O-ring kendi elastik kuvveti sayesinde sızdırmazlığı korur. Basınçlı ortam odaya girdiğinde, O-ring ortam basıncının etkisi altında daha düşük basınç tarafına kayar ve boşluğu δ doldurmak ve kapatmak için elastik deformasyonunu daha da artırır. Bu noktada, sızdırmazlık çiftinin eşleşen yüzeylerindeki temas basıncı Pm'ye yükselir:
Pm=Po+Pp
Burada Pp, O-ring aracılığıyla temas yüzeyine iletilen temas basıncıdır (0,1 MPa).
Pp=K·P
K, basınç iletim katsayısıdır, K=1 kauçuk O-ringler için;
P, sızdırmazlığı sağlanan sıvının basıncıdır (0,1 MPa).
Bu, sızdırmazlık etkisini büyük ölçüde artırır. K genellikle ≥ 1 olduğundan, Pm>P. Bu nedenle, O-ring üzerinde başlangıç basıncı olduğu sürece, sızıntısız, mutlak bir sızdırmazlık sağlayabilir. O-ringin, ortamın kendi basıncına dayanarak O-ringin temas durumunu değiştirmesi ve bir sızdırmazlık sağlaması olarak adlandırılan bu özelliği, kendi kendine sızdırmazlık olarak adlandırılır.
Teorik olarak, sıkıştırma deformasyonu sıfır olsa bile, yağ basıncı altında hala sızdırmazlık sağlayabilir. Ancak, pratikte, O-ringler montaj sırasında eksantrik olabilir. Bu nedenle, O-ring sızdırmazlık oluğuna takıldıktan sonra, kesiti genellikle %7-%30'luk bir sıkıştırma deformasyonuna maruz kalır. Statik contalar için daha yüksek bir sıkıştırma oranı kullanılırken, dinamik contalar için daha düşük bir sıkıştırma oranı kullanılır. Bunun nedeni, sentetik kauçuğun düşük sıcaklıklarda sıkışmasıdır, bu nedenle statik O-ringlerin ön sıkıştırması, düşük sıcaklık büzülmesini hesaba katmalıdır.
2. Karşılıklı Hareket Contaları İçin Sızdırmazlık İlkeleri
Karşılıklı hareket contaları, hidrolik ve pnömatik bileşenlerde ve sistemlerde yaygın bir sızdırmazlık gereksinimidir. Karşılıklı hareket contaları, güç silindiri pistonlarında ve silindir gövdelerinde, piston-silindir ara konumunda ve silindir kafalarında ve çeşitli kayar valf türlerinde kullanılır. Bir silindirik çubuk ile silindirik bir delik arasında, çubuğun eksenel olarak hareket ettiği bir boşluk oluşur. Conta, sıvının eksenel sızıntısını sınırlar. Karşılıklı hareket contası olarak kullanıldığında, O-ringin ön sızdırmazlık ve kendi kendine sızdırmazlık özellikleri, statik contalarınkine benzerdir. Ayrıca, doğal elastikiyeti sayesinde, O-ring aşınmayı otomatik olarak telafi edebilir. Ancak, sıvı ortamları sızdırmaz hale getirirken, çubuk hızı, sıvı basıncı ve viskozite etkisi nedeniyle durum statik contalara göre daha karmaşıktır.
Sıvılar basınç altında olduğunda, sıvı molekülleri metal yüzeyle etkileşime girer. Yağdaki polar moleküller metal yüzey üzerinde sıkıca ve eşit bir şekilde hizalanır ve kayar yüzey ile conta arasında kayar yüzeye güçlü bir yapışma uygulayan güçlü bir sınır filmi oluşturur. Bu sıvı filmi, hareketli sızdırmazlık yüzeyini yağlamak için belirli bir sızdırmazlık derecesi ve çok önemli sağlayan conta ve karşılıklı hareket yüzeyi arasında her zaman bulunur. Ancak, sızıntı için zararlıdır. Karşılıklı hareket mil dışarı çekildiğinde, mil üzerindeki sıvı filmi de onunla birlikte çekilir. Contanın "silme" eylemi nedeniyle, karşılıklı hareket mili geri çekildiğinde, bu sıvı filmi sızdırmazlık elemanı tarafından dışarıda tutulur. Karşılıklı hareket sayısı arttıkça, daha fazla sıvı dışarıda tutulur ve sonunda yağ damlacıkları oluşur, bu da karşılıklı hareket contalarında sızıntıyı temsil eder. Hidrolik yağın viskozitesi sıcaklık arttıkça azaldığından, yağ filmi kalınlığı buna göre azalır. Bu nedenle, hidrolik ekipman düşük sıcaklıklarda çalıştırıldığında, hareketin başlangıcında sızıntı daha fazladır. Hareket sırasında çeşitli kayıplar nedeniyle sıcaklık yükseldikçe, sızıntı yavaş yavaş azalma eğilimindedir.
Karşılıklı hareket contaları olarak O-ringler, kompakt ve küçük boyutludur ve öncelikle şunlarda kullanılır:
1) Düşük basınçlı hidrolik bileşenler, genellikle kısa stroklarla ve 10 MPa civarında orta basınçlarla sınırlıdır.
2) Küçük çaplı, kısa stroklu, orta basınçlı hidrolik makara valfleri.
3) Pnömatik makara valfleri ve silindirler.
4) Birleşik karşılıklı hareket contalarında elastomerler olarak.
O-ringler, pnömatik silindirler ve makara valfleri gibi karşılıklı hareketli bileşenlerde olduğu gibi, küçük çaplar, kısa stroklar ve düşük ila orta basınçlar için karşılıklı hareket contaları olarak en uygun olanlardır. Hidrolik bileşenlerde, O-ringlerin birincil dinamik contalar olarak kullanılması genellikle kısa stroklarla ve 10 MPa civarında orta ila düşük basınçlarla sınırlıdır. O-ringler, çok düşük hızlı karşılıklı hareket contaları veya yüksek basınçlı karşılıklı hareket uygulamaları için tek conta olarak uygun değildir. Bunun nedeni, bu koşullarda erken conta arızasına yol açabilen yüksek sürtünmedir. Herhangi bir uygulamada, conta, derecelendirilmiş verilerine veya kapasitesine göre kullanılmalı ve tatmin edici performans elde etmek için uygun şekilde monte edilmelidir.
3. Döner Contalar
Yağ keçeleri ve mekanik contalar, döner contalar için yaygın olarak kullanılır. Ancak, yağ keçeleri daha düşük basınçlarda çalışır ve O-ringlerden daha büyük, daha karmaşık ve daha az üretilebilirdir. Mekanik contalar yüksek basınçlarda (40 MPa), yüksek hızlarda (50 m/s) ve yüksek sıcaklıklarda (400°C) çalışabilse de, daha karmaşık ve hantal yapıları ve yüksek maliyetleri, onları yalnızca petrol ve kimya endüstrilerindeki ağır makineler için uygun hale getirir.
Döner uygulamalar için O-ringlerin temel sorunu Joule ısıtmasıdır. Yüksek hızlı dönen mil ile O-ring arasındaki temas noktasında üretilen bu sürtünme ısısı, bu temas noktalarının sıcaklığının sürekli yükselmesine neden olur, kauçuk malzemenin şiddetli bir şekilde deforme olmasına ve sıkıştırma ve uzamada değişikliklere neden olur. Bu ısı ayrıca sızdırmazlık malzemesinin yaşlanmasını hızlandırır, O-ringin hizmet ömrünü azaltır. Ayrıca sızdırmazlık yağ filmini yok ederek yağ kırılmasına ve conta aşınmasını hızlandırır.
Yukarıdaki duruma dayanarak, son yıllarda hem yurt içinde hem de uluslararası alanda döner hareket için O-ringler üzerine kapsamlı ve derinlemesine araştırmalar yapılmıştır. Joule ısıtmasından kaçınmak için, anahtar, O-ringin uzama ve sıkıştırma oranı başta olmak üzere, kauçuğun özelliklerine göre O-ring yapısal parametrelerini doğru bir şekilde seçmektir. Deneysel çalışmalar, döner hareket için O-ringlerin, dönen mil çapına eşit veya biraz daha büyük bir iç çap ile tasarlanması gerektiğini, tipik olarak %3 ila %5 daha büyük olduğunu göstermiştir. Montaj sırasında, O-ring iç çaptan içeri doğru sıkıştırılır ve kesitsel sıkıştırma minimum olacak şekilde tasarlanır, tipik olarak %5 civarında. Ayrıca, mümkün olduğunda minimum termal etkiye sahip sızdırmazlık malzemeleri kullanılır ve O-ring montaj yerinde ısı dağılımına uygun özen gösterilir. Bu, O-ringlerin performansını önemli ölçüde artırır ve 4 m/s'ye kadar hızlarda dönen milleri sızdırmaz hale getirmelerini sağlar.
Son zamanlarda, ısıya dayanıklı florokarbon kauçuk ve aşınmaya dayanıklı poliüretan kauçuk ortaya çıkmıştır ve kauçuk bileşenlerdeki Joule ısıtma etkisinin daha derin bir şekilde anlaşılmasıyla, bu sorunu ele almak için çözümler geliştirilmiş ve bu da yüksek hızlı, yüksek basınçlı döner harekete daha uygun yeni O-ring sızdırmazlık yapılarının tasarımına yol açmıştır.
O-ringler, küçük boyutları, basit yapıları, düşük maliyetleri, iyi proses performansı ve geniş uygulama yelpazesi nedeniyle döner hareket sızdırmazlık cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.