O-ringen fungeren als een middel voor afdichting en sluiten in wezen een doorgang af om het ontsnappen of verlies van een vloeistof, een vloeistof of een gas, te voorkomen. Een O-ring is een cirkelvormige ring, doorgaans vervaardigd uit een elastomeer materiaal, met een cirkelvormige dwarsdoorsnede. De afdichting wordt tot stand gebracht door de O-ring in een holte te plaatsen, ook wel een pakkingbus genoemd. De pakkingbus zorgt ervoor dat de O-ring wordt samengedrukt en zorgt voor een nulspeling, waardoor de vloeistofstroom effectief wordt geblokkeerd. Het afdichtende effect wordt bereikt door axiale of radiale compressie van de O-ring. Om betrouwbaar af te dichten moet er een ononderbroken "afdichtingslijn" worden gevormd op het grensvlak tussen de O-ring en het oppervlak van de passende pakkingbus. Het ontstaan van deze "afdichtingslijn" is het resultaat van een combinatie van het ontwerp van de pakkingbus, de dwarsdoorsnede van de O-ring en het juiste compressieniveau van het elastomere materiaal. Elastomere O-ringen functioneren anders dan de meeste materiaalsystemen waarmee ingenieurs werken; het moet aanzienlijk vervormen om een goede werking te bereiken.
Het gebruik van O-ringen biedt ontwerpers een grote verscheidenheid aan ontwerpopties voor afdichtingen. O-ringen kunnen worden gebruikt in zowel statische situaties waarin er geen beweging is tussen de op elkaar aansluitende onderdelen, als in dynamische toepassingen waarbij de machineonderdelen ten opzichte van elkaar bewegen.
Er worden drie basisafdichtingsontwerpen gebruikt waarbij gebruik wordt gemaakt van O-ringen: een stangafdichting, een zuigerafdichting en een gezichtsafdichting. Wanneer een vrouwelijke pakkingring zodanig in de binnenkant van het machineonderdeel wordt gesneden dat de O-ring een afdichting met binnendiameter is met behulp van radiale compressie, wordt deze beschouwd als een stangafdichting. Wanneer een mannelijke pakkingbus zodanig in de binnenkant van het machineonderdeel wordt gesneden dat de O-ring een afdichting met een buitendiameter is met behulp van radiale compressie, wordt deze gecategoriseerd als een zuigerafdichting. Wanneer de afdichting gebruik maakt van axiale compressie, wordt deze beschouwd als een gezichtsafdichting. Binnen elk van deze ontwerpen zijn er, rekening houdend met zowel statische als dynamische toepassingen, talloze ontwerpalternatieven om de optimale afdichting voor de toepassing te beïnvloeden.
Schema's die de drie fundamentele typen afdichtingsontwerpen tonen, gebaseerd op de richting van de afdichtingskracht en de oriëntatie van de pakkingbus.
Het falen van een O-ring manifesteert zich doorgaans als lekkage van de vloeistof die is ontworpen om te worden afgedicht. Om in eerste instantie een adequate O-ringafdichting te verkrijgen, en om die afdichting gedurende een bevredigende levensduur effectief te behouden, is het belangrijk om:
Volg de juiste ontwerpprincipes van de pakkingbus die een juiste verplaatsing onder compressie en een geschikte tolerantieopbouw mogelijk maken.
Gebruik de juiste maat O-ring voor de toepassing en het ontwerp.
Selecteer het juiste O-ringmateriaal op basis van de verwachte mechanische, thermische en chemische blootstelling.
Voer pre-productiesimulaties en daadwerkelijke tests uit om de prestaties te verifiëren.
Volg de geaccepteerde montagepraktijken voor de installatie van de O-ring.
Mislukkingsmodi
Over het algemeen worden O-ringafdichtingen als bijzonder betrouwbaar beschouwd vanwege de eenvoud van het O-ring/wartelontwerp en de algehele veerkracht van het materiaal. Onder een aantal omstandigheden kan er echter een storing optreden. Het falen van de O-ringen kan variëren van kleine lekkages tot catastrofale defecten aan de apparatuur. Ongeacht de omvang kan een defect aan de O-ring worden gediagnosticeerd met behulp van de juiste visuele en analytische technieken. Veelvoorkomende faalmodi voor O-ringen zijn onder meer:
Weergave van explosieve decompressie binnen een rubberen O-ring.
Overmatige compressie ingesteld
Explosieve decompressie
Installatieschade
Slijtage
Spiraalvormig draaien
Thermische degradatie
Chemische effecten
Overcompressie
Wanneer een O-ring voortijdig kapot gaat, is dit meestal het gevolg van een combinatie van factoren en niet te wijten aan één enkele oorzaak. Zoals bij elke mislukking zijn er factoren die de prestaties bepalen. Specifiek voor O-ringen zijn er een aantal potentiële problemen bij elk van deze factoren:
Uitvoering: Onvoldoende wartelontwerp en O-ring met onjuiste afmetingen.
Materiaal: Slechte materiaalkeuze voor de O-ring op basis van de verwachte gebruiksomstandigheden.
Productie: O-ringrubber onderhardt niet, voortijdige uitharding, overmatige scheidingslijn, materiaalholtes of insluitsels.
Montage: Inbrengen waardoor de O-ring verdraait of scheurt.
Serviceomstandigheden: overmatige thermische blootstelling, extreem uitgeoefende spanning of druk, onverwachte blootstelling aan agressieve chemische middelen.
Er zijn een aantal belangrijke kenmerken die de prestaties van een O-ringafdichtingstoepassing aanzienlijk zullen beïnvloeden. De kwaliteit van de afdichtingseigenschappen op de korte termijn, de duurzaamheid en het voorkomen van storingen op de lange termijn van een O-ringsysteem zijn op deze elementen gebaseerd.
Strek
Om een effectieve afdichting te bieden, moet de binnendiameter van de O-ring kleiner zijn dan de diameter van het passende onderdeel, zodat de O-ring enigszins uitgerekt is en goed aansluit. De rek moet tussen 1% en 5% liggen, waarbij 2% tot 3% het ideaal is voor de meeste toepassingen. Wanneer een O-ring wordt uitgerekt, wordt de doorsnede ervan verkleind en afgevlakt. Een samengestelde rek van meer dan 5% wordt niet aanbevolen, omdat de interne spanning op de O-ring een snellere veroudering veroorzaakt en de levensduur van de meeste O-ringmaterialen verkort. Aan de andere kant zal onvoldoende rek resulteren in een losse pasvorm en een verhoogde kans op lekkage.
Knijpen
Het samenknijpen van een O-ring wordt gedefinieerd als de compressieve vermindering van de dikte van de dwarsdoorsnede als gevolg van doorbuiging veroorzaakt door de wartelconfiguratie. De neiging van een O-ring om te proberen terug te keren naar zijn oorspronkelijke, niet-gecomprimeerde vorm wanneer de dwarsdoorsnede wordt afgebogen, is de fundamentele reden waarom O-ringen zulke uitstekende afdichtingen vormen. Daarom is knijpen een belangrijke overweging bij het ontwerp van O-ringafdichtingen. De samendrukking wordt bepaald door de geometrie van de pakkingbus en de doorsnede van de O-ring. Dit vertegenwoordigt de diametrale compressie in dwarsdoorsnede van de O-ring tussen het oppervlak van de groefbodem en het oppervlak van het andere passende deel in het pakkingbussamenstel.
Bij gebruik als statische afdichting bedraagt de maximale aanbevolen samendrukking voor de meeste elastomeren 30%. Er bestaat een gevaar als er meer dan 30% wordt samengedrukt, omdat de extra spanning die wordt veroorzaakt, kan bijdragen aan voortijdige verslechtering van de afdichting. De minimale samendrukking voor alle afdichtingen, ongeacht de doorsnede, moet ongeveer 0,2 mm zijn. Onvoldoende samendrukking kan lekkage van de O-ring veroorzaken, dus de meeste toepassingen kunnen niet acceptabel presteren bij een "geen" of "nul" samendrukkingstoestand.
Klier vulling
De vulling van de pakkingbus is het percentage van het pakkingdrukstukvolume dat door de dwarsdoorsnede van een O-ring wordt verplaatst wanneer deze in geïnstalleerde toestand in de pakkingring wordt opgesloten. Samen bepalen de doorsnede van de O-ring en de grootte van de pakkingbus de vulling van de pakkingbus. De meeste O-ringafdichtingstoepassingen vereisen een pakkingbusvulling van tussen de 60% en 85% van het beschikbare volume, waarbij de optimale vulling doorgaans 75% is, wat neerkomt op 25% lege ruimte. Het is van essentieel belang dat er in elke elastomeerafdichtingspakking een opening van ten minste 10% aanwezig is. Dit zorgt ervoor dat de O-ring niet overbelast raakt en zich aanpast aan de vorm die nodig is om een afdichting te creëren.
Oppervlakteafwerking
Over het algemeen wordt aanbevolen dat de waarde van de oppervlakteruwheid niet hoger is dan 32 micro-inch (32 rms) op afdichtingsoppervlakken voor statische afdichtingen. Dit zou het oppervlak van de binnenkant van de klier betekenen. Ook belangrijk is de aard van de ruwheid en de aanwezigheid van doorlopende onregelmatigheden. Krassen en ribbels die over de O-ring heen snijden, kunnen een lektraject veroorzaken, omdat de O-ring deze onregelmatigheden in het oppervlak mogelijk niet voldoende doordringt en afdicht.
Montage
De montage moet met grote zorg worden uitgevoerd, zodat de O-ring goed in de groef wordt geplaatst en niet wordt beschadigd als de pakkingbus wordt gesloten. Een belangrijk aspect hiervan is de uitzetting van de binnendiameter die nodig is om de groef te bereiken tijdens de montage. Deze uitzetting mag niet groter zijn dan 50% van de uiteindelijke verlenging van de gekozen O-ringrubbersamenstelling.
Ook is het belangrijk dat de O-ring tijdens de montage niet wordt gedraaid. Dit kan overmatige spanning op het O-ring-elastomeer veroorzaken. Verder mogen de O-ringen nooit over onbeschermde scherpe hoeken, schroefdraden, sleuven, spieën, poorten of andere scherpe randen worden gedrukt. Het sluiten van de pakkingbus mag niet resulteren in het beknellen van de O-ring bij de groefhoeken. Het sluiten van de klier moet worden bewerkstelligd door een rechte longitudinale beweging. Een roterende of oscillerende beweging is ongewenst, aangezien deze ophoping, een verkeerde uitlijning en het beknellen of snijden van de afdichting kan veroorzaken.
O-ringmateriaal
Bij het kiezen van een O-ringmateriaal is het belangrijk om verschillende factoren in overweging te nemen, voornamelijk de uitgeoefende druk, het temperatuurbereik waarbinnen de afdichting zal werken en de chemische vloeistof die moet worden afgedicht. Normaal gesproken kan het moeilijk zijn om de talrijke eisen die aan een O-ring worden gesteld, in evenwicht te brengen en in het beste geval tot een compromis te leiden. De meeste materialen die voor O-ringtoepassingen worden gebruikt, zijn elastomeer, waarbij thermohardende rubberverbindingen en thermoplastische elastomeren op basis van blokcopolymeren het meest voorkomen. Een van de voordelen van het ontwerpen met O-ringen is dat ze kunnen worden vervaardigd uit een breed scala aan elastomere materialen om een functioneel en duurzaam afdichtingssysteem te bieden. Vaak worden het aantal en de verscheidenheid aan materiaalselectiecriteria vaak over het hoofd gezien door systeemontwerpers, wat tot voortijdige uitval kan leiden. Bij het kiezen van het juiste O-ringmateriaal moet aandacht worden besteed aan de volgende overwegingen en materiaaleigenschappen:
Chemische compatibiliteit
Thermische weerstand en degradatie
Veerkracht bij koude temperaturen
Schuur- en slijtvastheid
Compressie en spanning ingesteld
Stress-ontspanning
Scheurweerstand
Coëfficiënt van thermische uitzetting
Samendrukbaarheid en compressiemodulus
Te vaak wordt het materiaal voor O-ringen geselecteerd op basis van alleen de hardheid van de durometer, wat een slechte voorspeller kan zijn van de mechanische eigenschappen van elastomeer materiaal op de korte en lange termijn.
Een ander potentieel zorgpunt is het gebruik van O-ringen in combinatie met kunststof onderdelen. Elastomere materialen, vooral rubbers, worden vaak gemengd met een aanzienlijke hoeveelheid weekmaker en olie. Dergelijke oliën, met name oliën op esterbasis, waaronder ftalaten, adipaten en trimellitaten, kunnen werken als agressieve middelen tegen omgevingsstressscheuren (ESC).
O-ringkwaliteit
De kwaliteit van de O-ring zal een relatief groot effect hebben op de algehele prestaties van het afdichtingssysteem. Dit omvat het juiste mengen van de rubbersamenstelling en het consistent vormen van de O-ring. Rubbereigenschappen, zoals compressieset, modulus, hardheid en treksterkte zullen allemaal direct worden beïnvloed door de meng- en vormbewerkingen. Het is belangrijk dat er een goede consistentie wordt bereikt. Daarnaast zijn er aanbevelingen over het aanvaardbare flitsniveau bij de scheidingslijn. Dit is doorgaans 0.005 inch breed en 0,003 inch hoog. Bovendien mag de O-ring een maximale excentriciteit van 0,05 mm vertonen.
Conclusie
O-ringen kunnen worden beschouwd als oude technologie als het gaat om het ontwerpen en vervaardigen van componenten en samenstellingen. Hun ontwerp en functie zijn relatief eenvoudig en worden sinds het begin van de 19e eeuw als zegel gebruikt. Het is echter hun eenvoud die de efficiënte manier verklaart waarop ze functioneren bij afdichtingstoepassingen. Dankzij de substantiële veranderingen die de afgelopen 120 jaar op het gebied van techniek, ontwerp en productie hebben plaatsgevonden, zijn O-ringen qua vorm en functie in wezen onveranderd gebleven. O-ringen zijn en blijven een eenvoudige, maar effectieve en veelzijdige afdichtingsoplossing.