Как работает уплотнительное кольцо?

Уплотнительные кольца является одним из самых простых и распространенных типов уплотнений для широкого спектра статических и динамических применений. Конструкция канавки под уплотнительное кольцо относительно проста и, следуя хорошо разработанным правилам геометрии канавки, получается экономичное и надежное уплотнение. Склонность уплотнительного кольца возвращаться к своей первоначальной форме при сжатии поперечного сечения является одной из основных причин, по которой уплотнительное кольцо обеспечивает превосходное уплотнение.

Как используется уплотнительное кольцо?

Уплотнительное кольцо представляет собой эластомер круглого поперечного сечения, который располагается в специальной канавке для уплотнительного кольца, обеспечивающей начальное сжатие.

Сила, необходимая для сжатия уплотнительного кольца, зависит от твердости и диаметра поперечного сечения. При этом растяжение уплотнительного кольца приводит к деформации уплотнения, уменьшая поперечное сечение, что снижает потенциал для уплотнения сопрягаемых поверхностей. Поэтому в конструкциях с применением уплотнительных колец следует строго соблюдать необходимые размеры уплотнительного кольца и паза под него.

При нулевом или очень низком давлении естественная упругость резиновой смеси обеспечивает герметичность. При этом характеристики уплотнения могут быть улучшены путем увеличения диаметрального сжатия. Но это увеличение может отрицательно сказаться на динамическом уплотнении при более высоком давлении.

Диаметральное сжатие обеспечивает силу между уплотнительным кольцом и канавкой, которая удерживает его в установленном положении. Эластичная резиновая смесь попадает в экструзионный зазор и полностью герметизирует его от утечки, пока приложенное давление не станет достаточным для преодоления сил трения и деформации уплотнительного кольца (при условии, что резина достигла своего ограничения по эластичности под давлением, дальнейшее увеличение силы приведет к разрушению или выдавливанию).

Паз предназначен для обеспечения первоначального сжатия уплотнения по одной оси в диапазоне 7-30 процентов. Эта сжимающая сила обычно перпендикулярна приложенной силе, что приводит к образованию свободного объема в канавке по другой оси.

Что делает уплотнительное кольцо?

Когда образуется давление, уплотнительное кольцо перемещается к стороне паза с низким давлением. Давление уплотнения передается на уплотняемую поверхность, которое фактически выше приложенного давления жидкости на величину равную начальной интерференции давления.

Увеличение приложенного давления создает интерференционное напряжение между уплотнением и сопрягаемыми поверхностями. Пока эта ситуация сохраняется, уплотнительное кольцо будет надежно функционировать при условии, что выбранное уплотнительное кольцо имеет правильный размер, а канавка обработана до нужного размера.

При увеличении давления деформация кольца будет увеличена, в результате чего часть кольца выдавливается в экструзионный зазор. Если экструзионный зазор слишком велик, уплотнение выйдет из строя после того, как оно будет полностью выдавлено из-за высокого давления.

После сброса давления упругость резиновой смеси приводит к тому, что уплотнительное кольцо возвращается к своей естественной форме, готовой к аналогичным циклам.

Эти материалы при нормальной рабочей температуре практически невозможно сжать, они имеют очень низкий модуль упругости. Вы можете изменить их форму (но не их объем), и применяемое диаметральное сжатие приведет к увеличению длины уплотнения.

Это увеличение будет еще больше в результате расширения резины из-за тепла от герметизируемой жидкости и совместимых материалов. Канавка должна иметь правильный размер, чтобы обеспечить максимальное расширение резиновой смеси, в противном случае конструкция будет создавать очень высокие напряжения.

Когда приложено достаточное усилие, уплотнительное кольцо будет перемещаться в сторону низкого давления, пока оно не коснется стороны канавки. Дополнительное давление или усилие деформирует уплотнительное кольцо в направлении экструзионного зазора. Уплотнительное кольцо будет первоначально деформироваться в форме буквы «D». Эта деформация увеличит площадь контакта с поверхностью на 70-80 процентов от первоначального сечения. Площадь контакта поверхности уплотнительного кольца под высоким давлением примерно в два раза больше, чем у исходной геометрии при нулевом давлении.

Возможность экструзии уплотнения не ограничивается только динамическими применениями.

При статическом осевом уплотнении растяжение монтажных болтов под высоким давлением может открыть экструзионный зазор достаточно, чтобы допустить утечку.

Пределы внутреннего давления определяются зазором и твердостью уплотнительного кольца. На практике зазор обычно указывается для данного размера кольца и области применения. При работе при низких температурах можно уменьшить глубину паза, чтобы компенсировать усадку кольца и обеспечить необходимое сжатие при уменьшенном размере.

При высоких температурах может быть целесообразно немного увеличить глубину канавки, чтобы избежать чрезмерного сдавливания кольца при рабочих температурах. Этот эффект может быть значительным при экстремальных температурах, поскольку коэффициент теплового расширения эластомеров выше, чем у металлов.