Dichtungsprinzip des O-Rings
Ein O-Ring, auch bekannt als O-Ring, ist ein Gummiring mit kreisförmigem Querschnitt. Er ist die am häufigsten verwendete Dichtung in hydraulischen und pneumatischen Systemen. O-Ringe bieten hervorragende Dichtungseigenschaften und können sowohl für statische als auch für oszillierende Dichtungen verwendet werden. Sie können unabhängig verwendet werden und sind eine grundlegende Komponente vieler modularer Dichtungssysteme. Sie haben ein breites Anwendungsspektrum. Bei richtiger Materialauswahl können sie die Anforderungen verschiedener Betriebsbedingungen erfüllen. Die Betriebsdruckbereiche reichen von einem Vakuum von 1,333 × 10⁵Pa bis zu einem hohen Druck von 400 MPa, und die Temperaturen erstrecken sich von -60°C bis 200°C.
Im Vergleich zu anderen Dichtungsarten haben O-Ringe folgende Vorteile:
1) Geringe Größe und einfache Montage und Demontage.
2) Kann sowohl für statische als auch für dynamische Abdichtung verwendet werden, mit praktisch keinem Leckage, wenn er als statische Dichtung verwendet wird.
3) Ein einzelner O-Ring bietet bidirektionale Abdichtung.
4) Geringe dynamische Reibung.
Der O-Ring ist eine Art Extrusionsdichtung. Sein grundlegendes Funktionsprinzip beruht auf der elastischen Verformung des Dichtungselements, wodurch ein Kontaktdruck auf der Dichtfläche erzeugt wird. Wenn der Kontaktdruck den Innendruck des abzudichtenden Mediums übersteigt, tritt Leckage auf; andernfalls tritt Leckage auf. Die Ursachen und Berechnungsmethoden des Kontaktdrucks auf der Dichtfläche unterscheiden sich für statische und dynamische Dichtungen und erfordern separate Erklärungen.
1. Dichtungsprinzip für statische Dichtungen
O-Ringe werden am häufigsten in statischen Dichtungen verwendet. Bei richtiger Auslegung und Verwendung können O-Ringe eine leckagefreie, absolute Abdichtung erreichen.
Nachdem ein O-Ring in einer Dichtungsnut eingebaut wurde, erfährt sein Querschnitt eine Kontaktkompressionsspannung, wodurch eine elastische Verformung entsteht. Dies erzeugt einen bestimmten Anfangskontaktdruck Po auf der Kontaktfläche. Selbst bei keinem oder sehr geringem Druck behält der O-Ring seine Dichtung aufgrund seiner eigenen elastischen Kraft bei. Wenn das unter Druck stehende Medium in die Kammer eintritt, verschiebt sich der O-Ring unter dem Einfluss des Mediumdrucks zur Seite mit dem niedrigeren Druck, wodurch seine elastische Verformung weiter erhöht wird, um den Spalt δ zu füllen und zu schließen. An diesem Punkt steigt der Kontaktdruck auf den Kontaktflächen des Dichtungspaares auf Pm:
Pm=Po+Pp
Wobei Pp der Kontaktdruck ist, der durch den O-Ring auf die Kontaktfläche übertragen wird (0,1 MPa).
Pp=K·P
K ist der Druckübertragungskoeffizient, wobei K=1 für Gummi-O-Ringe;
P ist der Druck des abzudichtenden Fluids (0,1 MPa).
Dies verstärkt die Dichtwirkung erheblich. Da K im Allgemeinen ≥ 1 ist, ist Pm>P. Daher kann der O-Ring, solange ein Anfangsdruck auf dem O-Ring vorhanden ist, eine leckagefreie, absolute Abdichtung erreichen. Diese Eigenschaft des O-Rings, die sich auf den Druck des Mediums selbst verlässt, um den Kontaktzustand des O-Rings zu verändern und eine Abdichtung zu erreichen, wird als Selbstabdichtung bezeichnet.
Theoretisch kann er auch bei Öldruck abdichten, selbst wenn die Kompressionsverformung Null ist. In der Praxis können O-Ringe jedoch während der Installation exzentrisch sein. Daher erfährt der O-Ring nach dem Einbau in die Dichtungsnut im Allgemeinen eine Kompressionsverformung von 7 % bis 30 %. Ein höheres Kompressionsverhältnis wird für statische Dichtungen verwendet, während ein niedrigeres Kompressionsverhältnis für dynamische Dichtungen verwendet wird. Dies liegt daran, dass synthetischer Gummi bei niedrigen Temperaturen komprimiert, daher sollte die Vorkompression von statischen O-Ringen die Schrumpfung bei niedrigen Temperaturen berücksichtigen.
2. Dichtungsprinzipien für oszillierende Bewegungsdichtungen
Oszillierende Bewegungsdichtungen sind eine gängige Dichtungsanforderung in hydraulischen und pneumatischen Komponenten und Systemen. Oszillierende Bewegungsdichtungen werden in Kolben und Zylinderkörpern von Kraftzylindern, Kolben-zu-Zylinder-Zwischenräumen und Zylinderköpfen sowie in verschiedenen Arten von Schieberventilen verwendet. Zwischen einer zylindrischen Stange und einer zylindrischen Bohrung bildet sich ein Spalt, in dem sich die Stange axial bewegt. Die Dichtung beschränkt die axiale Leckage des Fluids. Bei Verwendung als oszillierende Bewegungsdichtung sind die Vorabdichtungs- und Selbstabdichtungseigenschaften des O-Rings denen von statischen Dichtungen ähnlich. Darüber hinaus kann der O-Ring aufgrund seiner inhärenten Elastizität den Verschleiß automatisch ausgleichen. Bei der Abdichtung von flüssigen Medien ist die Situation jedoch aufgrund des Einflusses von Stangengeschwindigkeit, Flüssigkeitsdruck und Viskosität komplexer als bei statischen Dichtungen.
Wenn Flüssigkeiten unter Druck stehen, interagieren die Flüssigkeitsmoleküle mit der Metalloberfläche. Die polaren Moleküle im Öl richten sich dicht und gleichmäßig auf der Metalloberfläche aus und bilden einen starken Grenzfilm zwischen der Gleitfläche und der Dichtung, der eine starke Haftung auf der Gleitfläche ausübt. Dieser Flüssigkeitsfilm existiert immer zwischen der Dichtung und der oszillierenden Oberfläche und bietet einen gewissen Grad an Abdichtung und ist entscheidend für die Schmierung der sich bewegenden Dichtfläche. Er ist jedoch nachteilig für Leckagen. Wenn die oszillierende Welle nach außen gezogen wird, wird der Flüssigkeitsfilm auf der Welle mitgezogen. Aufgrund der "Wisch"-Wirkung der Dichtung wird dieser Flüssigkeitsfilm beim Einfahren der oszillierenden Welle vom Dichtungselement draußen gehalten. Mit zunehmender Anzahl von oszillierenden Hüben wird mehr Flüssigkeit draußen gehalten, wodurch sich schließlich Öltröpfchen bilden, die Leckagen in oszillierenden Dichtungen darstellen. Da die Viskosität des Hydrauliköls mit steigender Temperatur abnimmt, nimmt die Ölfilmdicke entsprechend ab. Daher ist die Leckage beim Start von Hydraulikgeräten bei niedrigen Temperaturen zu Beginn der Bewegung größer. Wenn die Temperatur aufgrund verschiedener Verluste während der Bewegung ansteigt, neigt die Leckage dazu, allmählich abzunehmen.
O-Ringe sind als oszillierende Dichtungen kompakt und klein und werden hauptsächlich verwendet in:
1) Niederdruck-Hydraulikkomponenten, im Allgemeinen beschränkt auf kurze Hübe und mittlere Drücke um 10 MPa.
2) Hydraulische Schieberventile mit kleinem Durchmesser, kurzem Hub und mittlerem Druck.
3) Pneumatische Schieberventile und Zylinder.
4) Als Elastomere in kombinierten oszillierenden Dichtungen.
O-Ringe eignen sich am besten als oszillierende Dichtungen für kleine Durchmesser, kurze Hübe und niedrige bis mittlere Drücke, wie z. B. in oszillierenden Komponenten wie Pneumatikzylindern und Schieberventilen. In hydraulischen Komponenten ist die Verwendung von O-Ringen als primäre dynamische Dichtungen im Allgemeinen auf kurze Hübe und mittlere bis niedrige Drücke um 10 MPa beschränkt. O-Ringe sind nicht für oszillierende Dichtungen mit sehr niedriger Geschwindigkeit oder als einzige Dichtung für oszillierende Hochdruckanwendungen geeignet. Dies liegt hauptsächlich an der hohen Reibung unter diesen Bedingungen, die zu einem vorzeitigen Ausfall der Dichtung führen kann. In jeder Anwendung muss die Dichtung gemäß ihren Nenndaten oder ihrer Kapazität verwendet und ordnungsgemäß montiert werden, um eine zufriedenstellende Leistung zu erzielen.
3. Rotationsdichtungen
Öldichtungen und Gleitringdichtungen werden üblicherweise für Rotationsdichtungen verwendet. Öldichtungen arbeiten jedoch bei niedrigeren Drücken und sind größer, komplexer und weniger herstellbar als O-Ringe. Während Gleitringdichtungen bei hohen Drücken (40 MPa), hohen Drehzahlen (50 m/s) und hohen Temperaturen (400°C) arbeiten können, sind ihre komplexere und sperrigere Struktur und die hohen Kosten nur für schwere Maschinen in der Erdöl- und Chemieindustrie geeignet.
Das Hauptproblem bei O-Ringen für Rotationsanwendungen ist die Joule'sche Erwärmung. Diese Reibungswärme, die am Kontaktpunkt zwischen der sich schnell drehenden Welle und dem O-Ring erzeugt wird, führt dazu, dass die Temperatur dieser Kontaktpunkte kontinuierlich ansteigt, wodurch das Gummimaterial stark verformt wird und sich die Kompression und Dehnung verändern. Diese Wärme beschleunigt auch die Alterung des Dichtungsmaterials und verringert die Lebensdauer des O-Rings. Sie zerstört auch den Dichtungsölfilm, wodurch das Öl bricht und der Dichtungsverschleiß beschleunigt wird.
Basierend auf der obigen Situation wurden in den letzten Jahren sowohl im In- als auch im Ausland umfangreiche und eingehende Untersuchungen zu O-Ringen für Rotationsbewegungen durchgeführt. Um die Joule'sche Erwärmung zu vermeiden, liegt der Schlüssel in der korrekten Auswahl der O-Ring-Strukturparameter basierend auf den Eigenschaften des Gummis, hauptsächlich der Dehnung und dem Kompressionsverhältnis des O-Rings. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass O-Ringe für Rotationsbewegungen mit einem Innendurchmesser konstruiert werden sollten, der gleich oder etwas größer als der Durchmesser der rotierenden Welle ist, typischerweise 3 % bis 5 % größer. Während der Installation wird der O-Ring vom Innendurchmesser nach innen komprimiert, und die Querschnittskompression ist minimal ausgelegt, typischerweise etwa 5 %. Darüber hinaus werden nach Möglichkeit Dichtungsmaterialien mit minimaler thermischer Auswirkung verwendet, und die Wärmeableitung am O-Ring-Installationsort wird angemessen berücksichtigt. Dies verbessert die Leistung von O-Ringen erheblich und ermöglicht ihren Einsatz bei der Abdichtung von rotierenden Wellen mit Drehzahlen von bis zu 4 m/s.
In letzter Zeit sind hitzebeständiger Fluorkautschuk und verschleißfester Polyurethankautschuk aufgetaucht, und mit einem tieferen Verständnis des Joule'schen Erwärmungseffekts in Gummikomponenten wurden Lösungen zur Bewältigung dieses Problems entwickelt, was zur Entwicklung neuer O-Ring-Dichtungsstrukturen geführt hat, die besser für Hochgeschwindigkeits-Hochdruck-Rotationsbewegungen geeignet sind.
O-Ringe werden aufgrund ihrer geringen Größe, einfachen Struktur, geringen Kosten, guten Verarbeitbarkeit und des breiten Anwendungsspektrums häufig in Rotationsbewegungsdichtungen eingesetzt.