اصل آب‌بندی اورینگ
اورینگ، که با نام حلقه O نیز شناخته می‌شود، یک حلقه لاستیکی با مقطع دایره‌ای است. این پرکاربردترین آب‌بند در سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک است. اورینگ‌ها خواص آب‌بندی عالی ارائه می‌دهند و می‌توانند برای آب‌بندی‌های استاتیک و رفت و برگشتی استفاده شوند. آن‌ها را می‌توان به طور مستقل استفاده کرد و یک جزء اساسی از بسیاری از سیستم‌های آب‌بندی مدولار هستند. آن‌ها طیف وسیعی از کاربردها را دارند. اگر مواد به درستی انتخاب شوند، می‌توانند الزامات شرایط عملیاتی مختلف را برآورده کنند. فشارهای عملیاتی از خلاء 1.333 × 10⁵Pa تا فشار بالا 400 مگاپاسکال متغیر است و دماها از -60 درجه سانتی‌گراد تا 200 درجه سانتی‌گراد گسترده است.
در مقایسه با سایر انواع آب‌بندها، اورینگ‌ها مزایای زیر را دارند:
1) اندازه کوچک و مونتاژ و جداسازی آسان.
2) می‌تواند برای آب‌بندی استاتیک و دینامیک استفاده شود، که تقریباً هیچ نشتی در صورت استفاده به عنوان آب‌بند استاتیک وجود ندارد.
3) یک اورینگ واحد آب‌بندی دو جهته را فراهم می‌کند.
4) اصطکاک دینامیکی کم.
اورینگ نوعی آب‌بند اکستروژن است. اصل عملکرد اساسی آن به تغییر شکل الاستیک عنصر آب‌بند متکی است و فشار تماسی را روی سطح آب‌بندی ایجاد می‌کند. اگر فشار تماس از فشار داخلی محیط آب‌بندی شده بیشتر شود، نشتی رخ می‌دهد؛ در غیر این صورت، نشتی رخ می‌دهد. علل و روش‌های محاسبه فشار تماس روی سطح آب‌بندی برای آب‌بندهای استاتیک و دینامیک متفاوت است و نیاز به توضیحات جداگانه دارد.
1. اصل آب‌بندی برای آب‌بندهای استاتیک
اورینگ‌ها پرکاربردترین در آب‌بندهای استاتیک هستند. اگر به درستی طراحی و استفاده شوند، اورینگ‌ها می‌توانند یک آب‌بندی مطلق و بدون نشتی را به دست آورند.
پس از نصب اورینگ در یک شیار آب‌بندی، مقطع آن تحت تنش فشرده‌سازی تماسی قرار می‌گیرد و باعث تغییر شکل الاستیک می‌شود. این باعث ایجاد یک فشار تماس اولیه Po روی سطح تماس می‌شود. حتی بدون فشار یا فشار بسیار کم، اورینگ به دلیل نیروی الاستیک خود، آب‌بندی را حفظ می‌کند. هنگامی که محیط تحت فشار وارد محفظه می‌شود، اورینگ تحت تأثیر فشار محیط به سمت سمت فشار کمتر حرکت می‌کند و تغییر شکل الاستیک خود را بیشتر می‌کند تا شکاف δ را پر و ببندد. در این مرحله، فشار تماس روی سطوح جفت‌گیری جفت آب‌بندی به Pm افزایش می‌یابد:
Pm=Po+Pp
جایی که Pp فشار تماسی است که از طریق اورینگ به سطح تماس منتقل می‌شود (0.1 مگاپاسکال).
Pp=K·P
K ضریب انتقال فشار است که برای اورینگ‌های لاستیکی K=1 است;
P فشار سیال آب‌بندی شده (0.1 مگاپاسکال) است.
این امر اثر آب‌بندی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. از آنجایی که K به طور کلی ≥ 1 است، Pm>P. بنابراین، تا زمانی که فشار اولیه روی اورینگ وجود داشته باشد، می‌تواند یک آب‌بندی مطلق و بدون نشتی را به دست آورد. این خاصیت اورینگ، که به فشار خود محیط برای تغییر حالت تماس اورینگ و دستیابی به آب‌بندی متکی است، خود آب‌بندی نامیده می‌شود.
از نظر تئوری، حتی اگر تغییر شکل فشرده‌سازی صفر باشد، همچنان می‌تواند تحت فشار روغن آب‌بندی کند. با این حال، در عمل، اورینگ‌ها ممکن است در حین نصب خارج از مرکز باشند. بنابراین، پس از نصب اورینگ در شیار آب‌بندی، مقطع آن به طور کلی یک تغییر شکل فشرده‌سازی 7٪-30٪ را تجربه می‌کند. نسبت فشرده‌سازی بالاتری برای آب‌بندهای استاتیک استفاده می‌شود، در حالی که نسبت فشرده‌سازی کمتری برای آب‌بندهای دینامیک استفاده می‌شود. این به این دلیل است که لاستیک مصنوعی در دماهای پایین فشرده می‌شود، بنابراین پیش‌فشرده‌سازی اورینگ‌های استاتیک باید انقباض در دمای پایین را در نظر بگیرد.
2. اصول آب‌بندی برای آب‌بندهای حرکتی رفت و برگشتی
آب‌بندهای حرکتی رفت و برگشتی یک نیاز آب‌بندی رایج در اجزا و سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک هستند. آب‌بندهای حرکتی رفت و برگشتی در پیستون‌های سیلندر قدرت و بدنه سیلندر، قرارگیری متقابل پیستون به سیلندر و سرسیلندرها و انواع مختلف شیرهای کشویی استفاده می‌شوند. یک شکاف بین یک میله استوانه‌ای و یک سوراخ استوانه‌ای تشکیل می‌شود که در آن میله به صورت محوری حرکت می‌کند. آب‌بند، نشتی محوری سیال را محدود می‌کند. هنگامی که به عنوان آب‌بند حرکتی رفت و برگشتی استفاده می‌شود، خواص پیش آب‌بندی و خود آب‌بندی اورینگ مشابه آب‌بندهای استاتیک است. علاوه بر این، به دلیل خاصیت الاستیسیته ذاتی آن، اورینگ می‌تواند به طور خودکار سایش را جبران کند. با این حال، هنگام آب‌بندی محیط‌های مایع، به دلیل تأثیر سرعت میله، فشار مایع و ویسکوزیته، وضعیت پیچیده‌تر از آب‌بندهای استاتیک است.
هنگامی که مایعات تحت فشار هستند، مولکول‌های مایع با سطح فلز تعامل می‌کنند. مولکول‌های قطبی در روغن محکم و یکنواخت روی سطح فلز قرار می‌گیرند و یک فیلم مرزی قوی بین سطح لغزشی و آب‌بند تشکیل می‌دهند که چسبندگی قوی به سطح لغزشی اعمال می‌کند. این فیلم مایع همیشه بین آب‌بند و سطح رفت و برگشتی وجود دارد و درجه‌ای از آب‌بندی را فراهم می‌کند و برای روانکاری سطح آب‌بندی متحرک بسیار مهم است. با این حال، برای نشتی مضر است. هنگامی که شفت رفت و برگشتی به سمت بیرون کشیده می‌شود، فیلم مایع روی شفت همراه با آن کشیده می‌شود. به دلیل عمل "پاک کردن" آب‌بند، هنگامی که شفت رفت و برگشتی جمع می‌شود، این فیلم مایع توسط عنصر آب‌بندی در بیرون حفظ می‌شود. با افزایش تعداد ضربات رفت و برگشتی، مایع بیشتری در بیرون حفظ می‌شود و در نهایت قطرات روغن تشکیل می‌شود که نشان‌دهنده نشتی در آب‌بندهای رفت و برگشتی است. از آنجایی که ویسکوزیته روغن هیدرولیک با افزایش دما کاهش می‌یابد، ضخامت فیلم روغن نیز به همین ترتیب کاهش می‌یابد. بنابراین، هنگامی که تجهیزات هیدرولیک در دماهای پایین راه‌اندازی می‌شوند، نشتی در ابتدای حرکت بیشتر است. با افزایش دما به دلیل تلفات مختلف در حین حرکت، نشتی تمایل به تدریجی کاهش دارد.
اورینگ‌ها، به عنوان آب‌بندهای رفت و برگشتی، جمع و جور و کوچک هستند و در درجه اول در موارد زیر استفاده می‌شوند:
1) اجزای هیدرولیک کم فشار، که به طور کلی به ضربات کوتاه و فشارهای متوسط در حدود 10 مگاپاسکال محدود می‌شوند.
2) شیرهای اسپول هیدرولیک با قطر کوچک، ضربه کوتاه و فشار متوسط.
3) شیرهای اسپول و سیلندرهای پنوماتیک.
4) به عنوان الاستومر در آب‌بندهای رفت و برگشتی ترکیبی.
اورینگ‌ها بهترین گزینه به عنوان آب‌بندهای رفت و برگشتی برای قطرهای کوچک، ضربات کوتاه و فشارهای کم تا متوسط هستند، مانند اجزای رفت و برگشتی مانند سیلندرهای پنوماتیک و شیرهای اسپول. در اجزای هیدرولیک، استفاده از اورینگ‌ها به عنوان آب‌بندهای دینامیکی اولیه به طور کلی به ضربات کوتاه و فشارهای متوسط تا کم در حدود 10 مگاپاسکال محدود می‌شود. اورینگ‌ها برای آب‌بندهای رفت و برگشتی با سرعت بسیار کم یا به عنوان تنها آب‌بند برای کاربردهای رفت و برگشتی با فشار بالا مناسب نیستند. این امر در درجه اول به دلیل اصطکاک زیاد در این شرایط است که می‌تواند منجر به خرابی زودرس آب‌بند شود. در هر کاربردی، آب‌بند باید مطابق با داده‌ها یا ظرفیت نامی آن استفاده شود و به درستی مونتاژ شود تا عملکرد رضایت‌بخشی حاصل شود.
3. آب‌بندهای دوار
آب‌بندهای روغن و آب‌بندهای مکانیکی معمولاً برای آب‌بندهای دوار استفاده می‌شوند. با این حال، آب‌بندهای روغن در فشارهای پایین‌تر کار می‌کنند و بزرگتر، پیچیده‌تر و کمتر قابل ساخت از اورینگ‌ها هستند. در حالی که آب‌بندهای مکانیکی می‌توانند در فشارهای بالا (40 مگاپاسکال)، سرعت‌های بالا (50 متر بر ثانیه) و دماهای بالا (400 درجه سانتی‌گراد) کار کنند، ساختار پیچیده‌تر و حجیم‌تر و هزینه بالای آن‌ها باعث می‌شود که فقط برای ماشین‌آلات سنگین در صنایع نفت و مواد شیمیایی مناسب باشند.
مشکل اصلی اورینگ‌ها برای کاربردهای دوار، گرمایش ژول است. این گرمای اصطکاکی که در نقطه تماس بین شفت چرخان با سرعت بالا و اورینگ ایجاد می‌شود، باعث می‌شود دمای این نقاط تماس به طور مداوم افزایش یابد و ماده لاستیکی به شدت تغییر شکل دهد و باعث تغییر در فشرده‌سازی و کشیدگی شود. این گرما همچنین پیری مواد آب‌بندی را تسریع می‌کند و عمر مفید اورینگ را کاهش می‌دهد. همچنین فیلم روغن آب‌بندی را از بین می‌برد و باعث شکستگی روغن و تسریع سایش آب‌بند می‌شود.
بر اساس وضعیت فوق، تحقیقات گسترده و عمیقی هم در داخل و هم در سطح بین‌المللی در مورد اورینگ‌ها برای حرکت دوار در سال‌های اخیر انجام شده است. برای جلوگیری از گرمایش ژول، کلید در انتخاب صحیح پارامترهای ساختاری اورینگ بر اساس خواص لاستیک، در درجه اول کشیدگی و نسبت فشرده‌سازی اورینگ است. مطالعات تجربی نشان داده‌اند که اورینگ‌ها برای حرکت دوار باید با قطر داخلی برابر یا کمی بزرگتر از قطر شفت چرخان طراحی شوند، معمولاً 3٪ تا 5٪ بزرگتر. در حین نصب، اورینگ از قطر داخلی به سمت داخل فشرده می‌شود و فشرده‌سازی مقطعی باید حداقل باشد، معمولاً حدود 5٪. علاوه بر این، مواد آب‌بندی با حداقل تأثیر حرارتی در صورت امکان استفاده می‌شوند و توجه مناسبی به اتلاف حرارت در محل نصب اورینگ می‌شود. این امر عملکرد اورینگ‌ها را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و آن‌ها را قادر می‌سازد تا در آب‌بندی شفت‌های چرخان با سرعت‌های تا 4 متر بر ثانیه استفاده شوند.
اخیراً، لاستیک فلورو مقاوم در برابر حرارت و لاستیک پلی‌اورتان مقاوم در برابر سایش ظهور کرده‌اند و با درک عمیق‌تری از اثر گرمایش ژول در اجزای لاستیکی، راه‌حل‌هایی برای رسیدگی به این موضوع توسعه یافته است که منجر به طراحی ساختارهای آب‌بندی اورینگ جدید می‌شود که برای حرکت دوار با سرعت بالا و فشار بالا مناسب‌تر است.
اورینگ‌ها به دلیل اندازه کوچک، ساختار ساده، هزینه کم، عملکرد خوب فرآیند و طیف وسیعی از کاربردها، به طور گسترده در دستگاه‌های آب‌بندی حرکت دوار استفاده می‌شوند.