O-rings são o projeto mecânico mais comum para vedação por causa de seu preço barato, fabricação simples, função confiável e requisitos de instalação simples. Embora os anéis de vedação sejam baratos, em alguns ambientes específicos, a substituição frequente aumentará o custo de manutenção da máquina e afetará o funcionamento normal do equipamento. Portanto, é necessário entender as características dos O-rings.
De -50 a -60 graus, os materiais de borracha que não são resistentes a baixas temperaturas perderão completamente o estresse inicial; mesmo para materiais de borracha resistentes a baixas temperaturas, a tensão inicial neste momento não será superior a 25 por cento da tensão inicial a 20 graus. Isso ocorre porque a compressão inicial do O-ring depende do coeficiente de expansão linear.
O design e o uso inadequados do anel de vedação acelerarão seus danos e perderão seu desempenho de vedação.
Experimentos mostraram que, se o design de cada parte do dispositivo de anel de vedação for razoável, simplesmente aumentar a pressão não causará danos ao O-ring. Sob as condições de trabalho de alta pressão e alta temperatura, a principal causa de danos no anel de vedação é a deformação permanente do material do anel de vedação, a mordida da folga causada pelo anel de vedação sendo espremido na folga de vedação e a distorção de o O-ring durante o movimento.
Deformação permanente Como o material de borracha sintética usado para o anel de vedação do O-ring é um material viscoelástico, a quantidade de compressão inicialmente definida e a capacidade de bloqueio de rebote serão deformadas permanentemente e gradualmente perdidas após o uso prolongado, resultando eventualmente em vazamento.
A deformação permanente e a perda da força elástica são as principais razões pelas quais os O-rings perdem seu desempenho de vedação. A seguir estão as principais razões para a deformação permanente.
A relação entre taxa de compressão e quantidade de alongamento e deformação permanente
As várias formulações de borracha usadas para fazer anéis de vedação produzirão relaxamento de tensão de compressão no estado comprimido. Neste momento, a tensão compressiva diminuirá com o aumento do tempo. Quanto maior o tempo de serviço, maior a taxa de compressão e alongamento, maior a queda de tensão causada pelo relaxamento da tensão da borracha, de modo que o O-ring fica insuficientemente elástico e perde sua capacidade de vedação. Portanto, é aconselhável tentar reduzir a taxa de compressão nas condições de uso permitidas.
Aumentar o tamanho da seção transversal do O-ring é a maneira mais fácil de reduzir a taxa de compressão, mas isso aumentará o tamanho estrutural. Deve-se notar que, quando as pessoas calculam a taxa de compressão, muitas vezes ignoram a redução na altura da seção causada pelo O-ring sendo esticado durante a montagem. A mudança na área da seção transversal de um O-ring é inversamente proporcional à mudança em sua circunferência. Ao mesmo tempo, devido ao efeito da tensão, a forma da seção transversal do O-ring também mudará, o que se manifesta como uma diminuição em sua altura. Além disso, devido à tensão superficial, a superfície externa do O-ring torna-se mais plana, ou seja, a altura da seção diminui ligeiramente. Isso também é uma manifestação do relaxamento da tensão de compressão do O-ring.
O grau de deformação da seção do O-ring também depende da dureza do material do O-ring. No caso da mesma quantidade de alongamento, o O-ring com alta dureza também terá uma redução maior na altura da seção transversal. Deste ponto de vista, materiais com baixa dureza devem ser selecionados tanto quanto possível de acordo com as condições de uso. Sob a ação da pressão e tensão do líquido, o O-ring de borracha sofrerá gradualmente deformação plástica e sua altura de seção transversal diminuirá de acordo, de modo que eventualmente perderá sua capacidade de vedação.
A relação entre a temperatura e o processo de relaxamento do O-ring
A temperatura de serviço é outro fator importante que afeta a deformação permanente do O-ring. Altas temperaturas aceleram o envelhecimento dos materiais de borracha.
Quanto maior a temperatura de operação, maior o conjunto de compressão do O-ring. Quando a deformação permanente é superior a 40 por cento, o O-ring perde sua capacidade de vedação e vaza. O valor de tensão inicial formado no material de borracha do O-ring devido à deformação por compressão diminuirá gradualmente e até desaparecerá com o processo de relaxamento e queda de temperatura do O-ring. Para anéis de vedação que trabalham em temperaturas abaixo de zero, sua compressão inicial pode ser reduzida ou desaparecer completamente devido a uma queda brusca de temperatura. De -50 a -60 graus, os materiais de borracha que não são resistentes a baixas temperaturas perderão completamente o estresse inicial; mesmo para materiais de borracha resistentes a baixas temperaturas, a tensão inicial neste momento não será superior a 25 por cento da tensão inicial a 20 graus. Isso ocorre porque a compressão inicial do O-ring depende do coeficiente de expansão linear. Portanto, ao selecionar a compressão inicial, é necessário garantir que ainda haja capacidade de vedação suficiente após a queda de tensão devido ao processo de relaxamento e queda de temperatura. Para O-rings que trabalham em temperaturas abaixo de zero, atenção especial deve ser dada ao índice de recuperação e índice de deformação do material de borracha.
Resumindo, o projeto deve tentar garantir que o O-ring tenha uma temperatura de trabalho adequada, ou escolha materiais de O-ring resistentes a altas e baixas temperaturas para prolongar a vida útil.
Pressão média de trabalho e deformação permanente A pressão do meio de trabalho é o principal fator causador da deformação permanente do O-ring.
A pressão de trabalho dos equipamentos hidráulicos modernos está aumentando a cada dia. A alta pressão a longo prazo causará deformação permanente do O-ring. Portanto, materiais de borracha resistentes à pressão apropriados devem ser selecionados de acordo com a pressão de trabalho durante o projeto. Quanto maior a pressão de trabalho, maior deve ser a dureza e a alta resistência à pressão do material utilizado. A fim de melhorar a resistência à pressão do material do O-ring, aumentar a elasticidade do material (especialmente aumentar a elasticidade do material a baixa temperatura) e reduzir o conjunto de compressão do material, geralmente é necessário melhorar a fórmula do material e adicionar um plastificante. No entanto, se o O-ring com plastificante for imerso no meio de trabalho por muito tempo, o plastificante será gradualmente absorvido pelo meio de trabalho, fazendo com que o volume do O-ring diminua, podendo até causar compressão negativa do O-ring (ou seja, ocorre uma folga entre o O-ring e a superfície da peça vedada).
Portanto, ao calcular a compressão do O-ring e projetar o molde, essas retrações devem ser totalmente levadas em consideração. O O-ring prensado deve manter o tamanho necessário após a imersão no meio de trabalho por 5-10 dias e noites.
O conjunto de compressão dos materiais do O-ring depende da temperatura. Quando a taxa de deformação é de 40 por cento ou mais, ocorrerá vazamento, então os limites de resistência ao calor de vários materiais de borracha são: borracha nitrílica 70 graus C, borracha EPDM 100 graus C, borracha de flúor 140 graus C. Portanto, os países fizeram regulamentos sobre a deformação permanente dos O-rings.
Para O-rings do mesmo material, na mesma temperatura, o O-ring com diâmetro de seção transversal maior tem um conjunto de compressão menor. No petróleo a situação é diferente. Como o anel de vedação não está em contato com o oxigênio neste momento, as reações adversas mencionadas acima são bastante reduzidas. Além disso, geralmente causa uma certa expansão do composto de borracha, de modo que a taxa de compressão causada pela temperatura será compensada. Portanto, a resistência ao calor no óleo é muito melhorada. Tomando a borracha nitrílica como exemplo, sua temperatura de trabalho pode atingir 120 graus ou mais.