O-prstenovi funkcioniraju kao sredstvo za brtvljenje, u suštini zatvarajući prolaz kako bi spriječili izlazak ili gubitak tekućine, bilo tekućine ili plina. O-prsten je kružni prsten, obično proizveden od elastomernog materijala, kružnog poprečnog presjeka. Brtva se uspostavlja postavljanjem O-prstena u šupljinu, poznatu kao žlijezda. Žlijezda djeluje tako da komprimira O-prsten i stvara stanje nulte zazora, što efektivno blokira protok tekućine. Efekat brtvljenja se postiže aksijalnom ili radijalnom kompresijom O-prstena. Za pouzdano zaptivanje, mora se formirati neprekidna "zaptivna linija" na međuprostoru između O-prstena i površine spojne žlijezde. Stvaranje ove "linije brtve" rezultat je kombinacije dizajna žlijezda, poprečnog presjeka O-prstena i odgovarajućeg nivoa kompresije elastomernog materijala. Elastomerni O-prstenovi funkcionišu za razliku od većine sistema materijala sa kojima inženjeri rade; mora se značajno deformirati da bi postigla pravilnu funkciju.
Upotreba O-prstenova pruža dizajnerima širok izbor mogućnosti dizajna zaptivanja. O-prstenovi se mogu koristiti kako u statičnim situacijama u kojima nema pomaka između dijelova koji se spajaju, tako i u dinamičkim primjenama gdje se dijelovi stroja pomiču jedan u odnosu na drugi.
Koriste se tri osnovna dizajna zaptivanja koji koriste O-prstenove: zaptivka šipke, zaptivka klipa i prednja brtva. Kada se unutrašnja žlijezda isječe u unutrašnjosti strojnog dijela tako da je O-prsten zaptivka unutrašnjeg prečnika pomoću radijalne kompresije, smatra se zaptivkom šipke. Kada je muška žlijezda izrezana u unutrašnjosti strojnog dijela tako da je O-prsten zaptivka vanjskog promjera pomoću radijalne kompresije, kategorizira se kao zaptivka klipa. Kada brtva koristi aksijalnu kompresiju, smatra se prednjom brtvom. Unutar svakog od ovih dizajna, uzimajući u obzir i statičke i dinamičke primjene, postoje brojne dizajnerske alternative koje utiču na optimalno zaptivanje za primjenu.
Šeme koje prikazuju tri osnovna tipa dizajna zaptivki, zasnovane na smjeru sile zaptivanja i orijentaciji žlijezda.
Otkazivanje O-prstena se obično manifestira kao curenje tekućine koja je dizajnirana da bude zaptivena. Da bi se na početku postiglo adekvatno brtvljenje O-prstena, kao i da bi se to zaptivanje efikasno održavalo tokom zadovoljavajućeg radnog veka, važno je:
Pridržavajte se principa pravilnog dizajna žlijezda koji omogućavaju pravilan pomak pod pritiskom i odgovarajuću toleranciju.
Koristite O-prsten odgovarajuće veličine za primjenu i dizajn.
Odaberite odgovarajući materijal O-prstena na osnovu predviđene mehaničke, termičke i hemijske izloženosti.
Izvršite simulaciju prije proizvodnje i stvarno testiranje kako biste provjerili performanse.
Slijedite prihvaćene prakse montaže za ugradnju O-prstena.
Režimi kvara
Općenito se smatra da su zaptivke O-prstena posebno pouzdane zbog jednostavnosti dizajna O-prstena/brtvila i ukupne otpornosti materijala. Međutim, pod određenim okolnostima može doći do kvara. Kvar O-prstena može varirati od manjeg curenja do katastrofalnog kvara opreme. Bez obzira na veličinu, kvar O-prstena može se dijagnosticirati odgovarajućim vizualnim i analitičkim tehnikama. Uobičajeni načini kvara O-prstena uključuju:
Predstavljanje eksplozivne dekompresije unutar gumenog O-prstena.
Prekomjerna kompresija
Eksplozivna dekompresija
Oštećenje prilikom instalacije
Abrazija
Spiral Twisting
Termička degradacija
Hemijski efekti
Over Compression
Kada O-prsten prerano otkaže, to je obično rezultat kombinacije faktora i ne može se pripisati jednom uzroku. Kao i kod svakog neuspjeha, postoje faktori koji određuju učinak. Specifično za O-prstenove, postoji niz potencijalnih problema pod svakim od ovih faktora:
Dizajn: Neadekvatan dizajn žlijezde i O-prsten neodgovarajuće veličine.
Materijal: Loš izbor materijala za O-prstenove na osnovu predviđenih uslova rada.
Proizvodnja: O-prsten gumeni podstvrdnuti, prerano otvrdnjavanje, prekomjerna linija razdvajanja, šupljine ili inkluzije materijala.
Montaža: Umetanje koje dovodi do uvrtanja ili kidanja O-prstena.
Uslovi servisiranja: Prekomerna toplotna izloženost, ekstremno primenjeni stres ili pritisak, neočekivano izlaganje agresivnim hemijskim agensima.
Postoji niz ključnih atributa koji će značajno utjecati na performanse primjene brtve O-prstena. Kvalitet kratkoročnih svojstava zaptivanja i dugoročna izdržljivost i izbegavanje kvara sistema O-prstenova, zasniva se na ovim elementima.
Stretch
Da bi se obezbedilo efikasno zaptivanje, unutrašnji prečnik O-prstena mora biti manji od prečnika spojne komponente, tako da je O-prsten blago rastegnut i dobro pristaje. Rastezanje bi trebalo biti između 1% i 5%, sa 2% do 3% kao idealno u većini primjena. Kada se O-prsten rasteže, njegov poprečni presjek se smanjuje i spljošti. Sastavljeno rastezanje veće od 5% se ne preporučuje jer unutrašnji napon na O-prstenu uzrokuje brže starenje i skraćuje vijek trajanja većine materijala O-prstena. S druge strane, nedovoljno rastezanje će rezultirati labavim prianjanjem i povećanom vjerovatnoćom curenja.
Stisni
Pritisak O-prstena definira se kao smanjenje debljine poprečnog presjeka na pritisak kao rezultat otklona uzrokovanog konfiguracijom žlijezda. Tendencija O-prstena da pokuša da se vrati u svoj izvorni nekomprimirani oblik kada je poprečni presjek skretan, osnovni je razlog zašto O-prstenovi čine tako izvrsne brtve. Zbog toga je stisak glavna stvar u dizajnu brtve O-prstena. Pritisak je određen geometrijom žlijezde i poprečnim presjekom O-prstena. Ovo predstavlja poprečni presjek dijametralne kompresije O-prstena između površine dna žlijeba i površine drugog spojnog dijela u sklopu brtve.
Kada se koristi kao statička brtva, maksimalno preporučeno stiskanje za većinu elastomera je 30%. Postoji opasnost od stiskanja više od 30% jer dodatno naprezanje može doprinijeti prijevremenom propadanju brtve. Minimalni stisak za sve zaptivke, bez obzira na poprečni presek, treba da bude oko 0,2 mm. Nedovoljno stiskanje može uzrokovati curenje O-prstena, tako da većina primjena ne može raditi prihvatljivo u uvjetima "ne" ili "nula" stiskanja.
Gland Fill
Punjenje žlijezda je postotak volumena žlijezde koji poprečni presjek O-prstena pomjera kada je zatvoren unutar žlijezde u instaliranom stanju. Zajedno, poprečni presjek O-prstena i veličina žlijezde određuju punjenje žlijezde. Većina primjena zaptivača O-prstena zahtijeva punjenje žlijezda između 60% do 85% raspoložive zapremine, pri čemu je optimalno punjenje obično 75%, što predstavlja 25% praznog prostora. Neophodno je ostaviti najmanje 10% praznine u bilo kojoj elastomernoj brtvenoj spojnici. Ovo osigurava da O-prsten neće biti preopterećen i da će odgovarati obliku potrebnom za stvaranje brtve.
Završna obrada
Općenito se preporučuje da vrijednost hrapavosti površine ne prelazi 32 mikroinča (32 rms) na zaptivnim površinama za statičke zaptivke. To bi značilo površinu unutrašnjosti žlijezde. Važna je i vrsta hrapavosti i prisustvo kontinuiranih nepravilnosti. Ogrebotine i izbočine koje seku preko O-prstena mogu uzrokovati put curenja, jer O-prsten možda neće adekvatno prodrijeti i zapečatiti ove površinske nepravilnosti.
Skupština
Montaža se mora obaviti s velikom pažnjom kako bi O-prsten pravilno postavljen u žljeb i ne bi se oštetio dok je sklop uvodnice zatvoren. Jedan važan aspekt ovoga je proširenje unutrašnjeg prečnika potrebno da se dođe do utora tokom montaže. Ovo proširenje ne bi trebalo da prelazi 50% krajnjeg izduženja odabrane gumene mešavine O-prstena.
Takođe, važno je da O-prsten ne bude uvrnut tokom montaže. Ovo može izazvati preveliko opterećenje elastomera O-prstena. Nadalje, O-prstenovi nikada ne bi trebali biti natjerani preko nezaštićenih oštrih uglova, navoja, utora, utora, otvora ili drugih oštrih ivica. Zatvaranje sklopa brtve ne bi trebalo da dovede do priklještenja O-prstena na uglovima žljebova. Zatvaranje žlijezde treba postići pravim uzdužnim kretanjem. Rotacijsko ili oscilatorno kretanje je nepoželjno jer može uzrokovati gomilanje, neusklađenost i štipanje ili sečenje brtve.
Materijal O-prstena
Prilikom odabira materijala za O-prstenove, važno je uzeti u obzir nekoliko faktora, prvenstveno primijenjeni pritisak, temperaturni raspon u kojem će zaptivka raditi i hemijski fluid koji se zaptiva. Obično balansiranje brojnih zahtjeva postavljenih na O-prsten može biti teško i rezultirati kompromisom u najboljem slučaju. Većina materijala koji se koriste za primjenu O-prstenova su elastomerni, a najčešće su smjese termoreaktivne gume i termoplastični elastomeri na bazi blok kopolimera. Jedna od prednosti dizajna sa O-prstenovima je da se oni mogu proizvesti od širokog spektra elastomernih materijala kako bi se obezbedio funkcionalan i izdržljiv sistem zaptivanja. Dizajneri sistema često zanemaruju broj i raznovrsnost kriterijuma za odabir materijala, što može dovesti do preranog kvara. Prilikom odabira odgovarajućeg materijala za O-prstenove, morate obratiti pažnju na sljedeća razmatranja i karakteristike materijala:
Hemijska kompatibilnost
Termička otpornost i degradacija
Otpornost na niske temperature
Otpornost na habanje i habanje
Set kompresije i zatezanja
Opuštanje od stresa
Otpornost na kidanje
Koeficijent toplinske ekspanzije
Kompresibilnost i modul kompresije
Prečesto se odabir materijala O-prstena vrši samo na osnovu tvrdoće durometra, što može biti loš prediktor kratkoročnih i dugoročnih mehaničkih svojstava elastomernog materijala.
Još jedno područje potencijalne zabrinutosti je kada se O-prstenovi koriste u kombinaciji s plastičnim komponentama. Elastomerni materijali, posebno gume, često su spojeni sa značajnom količinom plastifikatora i ulja. Takva ulja, posebno ulja na bazi estera, uključujući ftalate, adipate, trimelitate, mogu djelovati kao agresivni agensi za stvaranje napona (ESC).
Kvalitet O-prstena
Kvalitet O-prstena će imati relativno veliki uticaj na ukupne performanse sistema zaptivanja. Ovo uključuje pravilno miješanje gumene smjese i dosljedno oblikovanje O-prstena. Na svojstva gume, kao što su kompresija, modul, tvrdoća i vlačna čvrstoća, direktno će uticati operacije miješanja i oblikovanja. Važno je da se postigne dobra konzistentnost. Osim toga, postoje preporuke o prihvatljivom nivou blica na liniji razdvajanja. Ovo je obično 0.005 in. široka i 0.003 in. visoka. Dodatno, O-prsten treba da ima maksimalan ekscentricitet od 0,05 mm.
Zaključak
O-prstenovi se mogu smatrati starom tehnologijom u pogledu projektovanja i proizvodnje komponenti i sklopova. Njihov dizajn i funkcija su relativno jednostavni, a kao pečati se koriste od ranog 19. stoljeća. Međutim, njihova jednostavnost je ono što objašnjava efikasan način na koji funkcioniraju u aplikacijama za brtvljenje. Uz značajne promjene koje su se dogodile u inženjeringu, dizajnu i proizvodnji u proteklih 120 godina, O-prstenovi su u suštini ostali nepromijenjeni u obliku i funkciji. O-prstenovi su bili i ostali jednostavno, a učinkovito i svestrano rješenje za zaptivanje.