Nguyên tắc làm kín của vòng chữ O
Vòng chữ O, còn được gọi là vòng đệm chữ O, là một vòng cao su có mặt cắt ngang hình tròn. Đây là loại phớt được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống thủy lực và khí nén. Vòng chữ O có đặc tính làm kín tuyệt vời và có thể được sử dụng cho cả phớt tĩnh và phớt chuyển động qua lại. Chúng có thể được sử dụng độc lập và là một thành phần cơ bản của nhiều hệ thống làm kín mô-đun. Chúng có nhiều ứng dụng. Nếu vật liệu được chọn đúng cách, chúng có thể đáp ứng các yêu cầu của nhiều điều kiện vận hành khác nhau. Áp suất vận hành dao động từ chân không 1,333 × 10⁵Pa đến áp suất cao 400 MPa và nhiệt độ từ -60°C đến 200°C.
So với các loại phớt khác, vòng chữ O có những ưu điểm sau:
1) Kích thước nhỏ và dễ lắp ráp và tháo rời.
2) Có thể được sử dụng cho cả làm kín tĩnh và động, hầu như không có rò rỉ khi được sử dụng làm phớt tĩnh.
3) Một vòng chữ O duy nhất cung cấp khả năng làm kín hai chiều.
4) Ma sát động thấp.
Vòng chữ O là một loại phớt đùn. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của nó dựa trên sự biến dạng đàn hồi của phần tử làm kín, tạo ra áp suất tiếp xúc trên bề mặt làm kín. Nếu áp suất tiếp xúc vượt quá áp suất bên trong của môi chất được làm kín, hiện tượng rò rỉ sẽ xảy ra; nếu không, hiện tượng rò rỉ sẽ xảy ra. Các nguyên nhân và phương pháp tính toán áp suất tiếp xúc trên bề mặt làm kín khác nhau đối với phớt tĩnh và phớt động và yêu cầu giải thích riêng.
1. Nguyên tắc làm kín cho phớt tĩnh
Vòng chữ O được sử dụng rộng rãi nhất trong phớt tĩnh. Nếu được thiết kế và sử dụng đúng cách, vòng chữ O có thể đạt được khả năng làm kín tuyệt đối, không bị rò rỉ.
Sau khi vòng chữ O được lắp vào rãnh làm kín, mặt cắt ngang của nó sẽ chịu ứng suất nén tiếp xúc, gây ra biến dạng đàn hồi. Điều này tạo ra một áp suất tiếp xúc ban đầu Po nhất định trên bề mặt tiếp xúc. Ngay cả khi không có hoặc áp suất rất thấp, vòng chữ O vẫn duy trì khả năng làm kín nhờ lực đàn hồi của chính nó. Khi môi chất có áp suất đi vào buồng, vòng chữ O di chuyển về phía áp suất thấp hơn dưới tác động của áp suất môi chất, làm tăng thêm biến dạng đàn hồi của nó để lấp đầy và đóng kín khe hở δ. Tại thời điểm này, áp suất tiếp xúc trên các bề mặt giao phối của cặp làm kín tăng lên Pm:
Pm=Po+Pp
Trong đó Pp là áp suất tiếp xúc truyền đến bề mặt tiếp xúc thông qua vòng chữ O (0,1 MPa).
Pp=K·P
K là hệ số truyền áp suất, với K=1 đối với vòng chữ O cao su;
P là áp suất của chất lỏng được làm kín (0,1 MPa).
Điều này làm tăng đáng kể hiệu quả làm kín. Vì K thường ≥ 1, Pm>P. Do đó, miễn là có áp suất ban đầu trên vòng chữ O, nó có thể đạt được khả năng làm kín tuyệt đối, không bị rò rỉ. Tính chất này của vòng chữ O, dựa vào áp suất của chính môi chất để thay đổi trạng thái tiếp xúc của vòng chữ O và đạt được khả năng làm kín, được gọi là tự làm kín.
Về mặt lý thuyết, ngay cả khi biến dạng nén bằng không, nó vẫn có thể làm kín dưới áp suất dầu. Tuy nhiên, trong thực tế, vòng chữ O có thể bị lệch tâm trong quá trình lắp đặt. Do đó, sau khi vòng chữ O được lắp vào rãnh làm kín, mặt cắt ngang của nó thường trải qua biến dạng nén từ 7% -30%. Tỷ lệ nén cao hơn được sử dụng cho phớt tĩnh, trong khi tỷ lệ nén thấp hơn được sử dụng cho phớt động. Điều này là do cao su tổng hợp bị nén ở nhiệt độ thấp, vì vậy độ nén trước của vòng chữ O tĩnh nên tính đến độ co ngót ở nhiệt độ thấp của nó.
2. Nguyên tắc làm kín cho phớt chuyển động qua lại
Phớt chuyển động qua lại là một yêu cầu làm kín phổ biến trong các bộ phận và hệ thống thủy lực và khí nén. Phớt chuyển động qua lại được sử dụng trong piston và thân xi lanh của xi lanh điện, xen kẽ piston-xi lanh và đầu xi lanh, và các loại van trượt khác nhau. Một khe hở được hình thành giữa một thanh hình trụ và một lỗ hình trụ, trong đó thanh di chuyển theo trục. Phớt hạn chế rò rỉ theo trục của chất lỏng. Khi được sử dụng làm phớt chuyển động qua lại, các đặc tính làm kín trước và tự làm kín của vòng chữ O tương tự như của phớt tĩnh. Hơn nữa, do tính đàn hồi vốn có của nó, vòng chữ O có thể tự động bù đắp cho sự hao mòn. Tuy nhiên, khi làm kín môi chất lỏng, tình huống phức tạp hơn so với phớt tĩnh do ảnh hưởng của tốc độ thanh, áp suất chất lỏng và độ nhớt.
Khi chất lỏng chịu áp suất, các phân tử chất lỏng tương tác với bề mặt kim loại. Các phân tử phân cực trong dầu liên kết chặt chẽ và đồng đều trên bề mặt kim loại, tạo thành một lớp màng biên giới chắc chắn giữa bề mặt trượt và phớt, tạo ra độ bám dính mạnh vào bề mặt trượt. Lớp màng chất lỏng này luôn tồn tại giữa phớt và bề mặt chuyển động qua lại, cung cấp một mức độ làm kín nhất định và rất quan trọng để bôi trơn bề mặt làm kín chuyển động. Tuy nhiên, nó có hại cho việc rò rỉ. Khi trục chuyển động qua lại được kéo ra ngoài, lớp màng chất lỏng trên trục bị kéo theo. Do tác động "lau" của phớt, khi trục chuyển động qua lại rút lại, lớp màng chất lỏng này được giữ lại bên ngoài bởi phần tử làm kín. Khi số lần hành trình qua lại tăng lên, nhiều chất lỏng hơn được giữ lại bên ngoài, cuối cùng tạo thành các giọt dầu, đại diện cho sự rò rỉ trong phớt chuyển động qua lại. Vì độ nhớt của dầu thủy lực giảm khi nhiệt độ tăng, độ dày của màng dầu giảm tương ứng. Do đó, khi thiết bị thủy lực được khởi động ở nhiệt độ thấp, hiện tượng rò rỉ lớn hơn vào lúc bắt đầu chuyển động. Khi nhiệt độ tăng do các tổn thất khác nhau trong quá trình chuyển động, xu hướng rò rỉ có xu hướng giảm dần.
Vòng chữ O, là phớt chuyển động qua lại, có kích thước nhỏ gọn và nhỏ, và chủ yếu được sử dụng trong:
1) Các bộ phận thủy lực áp suất thấp, thường giới hạn ở hành trình ngắn và áp suất trung bình khoảng 10 MPa.
2) Van ống chỉ thủy lực đường kính nhỏ, hành trình ngắn, áp suất trung bình.
3) Van ống chỉ và xi lanh khí nén.
4) Là chất đàn hồi trong phớt chuyển động qua lại kết hợp.
Vòng chữ O phù hợp nhất làm phớt chuyển động qua lại cho đường kính nhỏ, hành trình ngắn và áp suất từ thấp đến trung bình, chẳng hạn như trong các bộ phận chuyển động qua lại như xi lanh khí nén và van ống chỉ. Trong các bộ phận thủy lực, việc sử dụng vòng chữ O làm phớt động chính thường chỉ giới hạn ở hành trình ngắn và áp suất từ trung bình đến thấp khoảng 10 MPa. Vòng chữ O không thích hợp cho phớt chuyển động qua lại tốc độ rất thấp hoặc là phớt duy nhất cho các ứng dụng chuyển động qua lại áp suất cao. Điều này chủ yếu là do ma sát cao trong các điều kiện này, có thể dẫn đến hỏng phớt sớm. Trong bất kỳ ứng dụng nào, phớt phải được sử dụng theo dữ liệu hoặc dung lượng định mức của nó và được lắp ráp đúng cách để đạt được hiệu suất thỏa đáng.
3. Phớt quay
Phớt dầu và phớt cơ khí thường được sử dụng cho phớt quay. Tuy nhiên, phớt dầu hoạt động ở áp suất thấp hơn và lớn hơn, phức tạp hơn và ít khả năng sản xuất hơn so với vòng chữ O. Mặc dù phớt cơ khí có thể hoạt động ở áp suất cao (40 MPa), tốc độ cao (50 m/s) và nhiệt độ cao (400°C), cấu trúc phức tạp và cồng kềnh hơn cùng với chi phí cao khiến chúng chỉ phù hợp với máy móc hạng nặng trong ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất.
Vấn đề chính với vòng chữ O cho các ứng dụng quay là gia nhiệt Joule. Nhiệt ma sát này được tạo ra tại điểm tiếp xúc giữa trục quay tốc độ cao và vòng chữ O làm cho nhiệt độ của các điểm tiếp xúc này tăng liên tục, làm biến dạng nghiêm trọng vật liệu cao su và gây ra những thay đổi về độ nén và độ giãn dài. Nhiệt này cũng đẩy nhanh quá trình lão hóa của vật liệu làm kín, làm giảm tuổi thọ của vòng chữ O. Nó cũng phá hủy màng dầu làm kín, gây ra hiện tượng vỡ dầu và đẩy nhanh quá trình mài mòn phớt.
Dựa trên tình hình trên, nghiên cứu chuyên sâu và sâu rộng đã được tiến hành cả trong và ngoài nước về vòng chữ O cho chuyển động quay trong những năm gần đây. Để tránh gia nhiệt Joule, chìa khóa nằm ở việc lựa chọn chính xác các thông số cấu trúc vòng chữ O dựa trên các đặc tính của cao su, chủ yếu là độ giãn dài và tỷ lệ nén của vòng chữ O. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng vòng chữ O cho chuyển động quay nên được thiết kế với đường kính trong bằng hoặc hơi lớn hơn đường kính trục quay, thường lớn hơn 3% đến 5%. Trong quá trình lắp đặt, vòng chữ O được nén từ đường kính trong vào trong và độ nén mặt cắt ngang được thiết kế ở mức tối thiểu, thường là khoảng 5%. Hơn nữa, vật liệu làm kín có tác động nhiệt tối thiểu được sử dụng bất cứ khi nào có thể và sự cân nhắc thích hợp được đưa ra để tản nhiệt tại vị trí lắp đặt vòng chữ O. Điều này cải thiện đáng kể hiệu suất của vòng chữ O, cho phép chúng được ứng dụng trong việc làm kín các trục quay với tốc độ lên đến 4 m/s.
Gần đây, cao su fluor chịu nhiệt và cao su polyurethane chịu mài mòn đã xuất hiện, và với sự hiểu biết sâu sắc hơn về hiệu ứng gia nhiệt Joule trong các bộ phận cao su, các giải pháp đã được phát triển để giải quyết vấn đề này, dẫn đến việc thiết kế các cấu trúc làm kín vòng chữ O mới phù hợp hơn với chuyển động quay tốc độ cao, áp suất cao.
Vòng chữ O được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị làm kín chuyển động quay do kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, hiệu suất quy trình tốt và phạm vi ứng dụng rộng.