หลักการซีลของโอริง

หลักการซีลของโอริง

โอริง หรือที่รู้จักกันในชื่อ โอริง เป็นวงแหวนยางที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม เป็นซีลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในระบบไฮดรอลิกและนิวเมติก โอริงมีคุณสมบัติในการซีลที่ดีเยี่ยมและสามารถใช้ได้ทั้งซีลแบบคงที่และซีลแบบลูกสูบ สามารถใช้ได้อย่างอิสระและเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของระบบซีลแบบแยกส่วนจำนวนมาก มีการใช้งานที่หลากหลาย หากเลือกวัสดุอย่างเหมาะสม ก็สามารถตอบสนองความต้องการของสภาพการทำงานต่างๆ ได้ แรงดันใช้งานมีตั้งแต่สุญญากาศ 1.333 × 10⁵Pa ไปจนถึงแรงดันสูง 400 MPa และอุณหภูมิตั้งแต่ -60°C ถึง 200°C

เมื่อเทียบกับซีลประเภทอื่นๆ โอริงมีข้อดีดังต่อไปนี้:

1) ขนาดเล็กและประกอบและถอดประกอบง่าย

2) สามารถใช้ได้ทั้งการซีลแบบคงที่และแบบไดนามิก โดยแทบไม่มีการรั่วไหลเมื่อใช้เป็นซีลแบบคงที่

3) โอริงตัวเดียวให้การซีลแบบสองทิศทาง

4) แรงเสียดทานไดนามิกต่ำ

 

โอริงเป็นซีลชนิดหนึ่งที่ใช้การอัดขึ้นรูป หลักการทำงานพื้นฐานขึ้นอยู่กับการเสียรูปยืดหยุ่นขององค์ประกอบซีล ทำให้เกิดแรงดันสัมผัสบนพื้นผิวซีล หากแรงดันสัมผัสเกินกว่าแรงดันภายในของตัวกลางที่ถูกซีล การรั่วไหลจะเกิดขึ้น มิฉะนั้น การรั่วไหลจะเกิดขึ้น สาเหตุและวิธีการคำนวณแรงดันสัมผัสบนพื้นผิวซีลแตกต่างกันไปสำหรับซีลแบบคงที่และแบบไดนามิก และต้องมีการอธิบายแยกกัน

1. หลักการซีลสำหรับซีลแบบคงที่

โอริงเป็นที่นิยมใช้กันมากที่สุดในซีลแบบคงที่ หากออกแบบและใช้งานอย่างถูกต้อง โอริงสามารถซีลได้โดยไม่มีการรั่วไหลและสมบูรณ์แบบ

หลังจากติดตั้งโอริงในร่องซีลแล้ว หน้าตัดของโอริงจะเกิดความเครียดจากการบีบอัดสัมผัส ทำให้เกิดการเสียรูปยืดหยุ่น ซึ่งจะสร้างแรงดันสัมผัสเริ่มต้น Po บนพื้นผิวสัมผัส แม้ว่าจะไม่มีแรงดันหรือแรงดันต่ำมาก โอริงยังคงรักษาการซีลไว้ได้เนื่องจากแรงยืดหยุ่นของตัวเอง เมื่อตัวกลางที่มีแรงดันเข้าสู่ห้อง โอริงจะเลื่อนไปทางด้านที่มีแรงดันต่ำกว่าภายใต้อิทธิพลของแรงดันตัวกลาง ทำให้การเสียรูปยืดหยุ่นเพิ่มขึ้นเพื่อเติมและปิดช่องว่าง δ ณ จุดนี้ แรงดันสัมผัสบนพื้นผิวประกบของคู่ซีลจะเพิ่มขึ้นเป็น Pm:
 

Pm=Po+Pp

โดยที่ Pp คือแรงดันสัมผัสที่ส่งไปยังพื้นผิวสัมผัสผ่านโอริง (0.1 MPa)

Pp=K·P

K คือค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านแรงดัน โดย K=1 สำหรับโอริงยาง

P คือแรงดันของของเหลวที่ถูกซีล (0.1 MPa)

สิ่งนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการซีลอย่างมาก เนื่องจากโดยทั่วไป K ≥ 1, Pm>P ดังนั้น ตราบใดที่มีแรงดันเริ่มต้นบนโอริง ก็สามารถซีลได้โดยไม่มีการรั่วไหลและสมบูรณ์แบบ คุณสมบัติของโอริงนี้ ซึ่งอาศัยแรงดันของตัวกลางเองในการเปลี่ยนสถานะการสัมผัสของโอริงและทำการซีล เรียกว่า การซีลด้วยตัวเอง

ในทางทฤษฎี แม้ว่าการเสียรูปจากการบีบอัดจะเป็นศูนย์ ก็ยังสามารถซีลได้ภายใต้แรงดันน้ำมัน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ โอริงอาจเยื้องศูนย์ระหว่างการติดตั้ง ดังนั้น หลังจากติดตั้งโอริงในร่องซีลแล้ว หน้าตัดของโอริงโดยทั่วไปจะเกิดการเสียรูปจากการบีบอัด 7%-30% ใช้ค่าอัตราส่วนการบีบอัดที่สูงกว่าสำหรับซีลแบบคงที่ ในขณะที่ใช้ค่าอัตราส่วนการบีบอัดที่ต่ำกว่าสำหรับซีลแบบไดนามิก ทั้งนี้เนื่องจากยางสังเคราะห์จะบีบอัดที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นการบีบอัดล่วงหน้าของโอริงแบบคงที่ควรคำนึงถึงการหดตัวที่อุณหภูมิต่ำ

 

2. หลักการซีลสำหรับซีลแบบลูกสูบ

ซีลแบบลูกสูบเป็นข้อกำหนดในการซีลทั่วไปในส่วนประกอบและระบบไฮดรอลิกและนิวเมติก ซีลแบบลูกสูบใช้ในลูกสูบกระบอกสูบกำลังและตัวกระบอกสูบ การแทรกระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบและหัวกระบอกสูบ และวาล์วเลื่อนชนิดต่างๆ เกิดช่องว่างระหว่างก้านทรงกระบอกและรูทรงกระบอก ซึ่งก้านจะเคลื่อนที่ตามแนวแกน ซีลจำกัดการรั่วไหลตามแนวแกนของของเหลว เมื่อใช้เป็นซีลแบบลูกสูบ คุณสมบัติการซีลล่วงหน้าและการซีลด้วยตัวเองของโอริงจะคล้ายกับซีลแบบคงที่ นอกจากนี้ เนื่องจากความยืดหยุ่นโดยธรรมชาติ โอริงสามารถชดเชยการสึกหรอได้โดยอัตโนมัติ อย่างไรก็ตาม เมื่อทำการซีลตัวกลางที่เป็นของเหลว สถานการณ์จะซับซ้อนกว่าซีลแบบคงที่เนื่องจากอิทธิพลของความเร็วของก้าน แรงดันของเหลว และความหนืด

เมื่อของเหลวอยู่ภายใต้แรงดัน โมเลกุลของเหลวจะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวโลหะ โมเลกุลขั้วในน้ำมันจะเรียงตัวอย่างแน่นหนาและสม่ำเสมอบนพื้นผิวโลหะ ทำให้เกิดฟิล์มขอบเขตที่แข็งแรงระหว่างพื้นผิวเลื่อนและซีล ซึ่งจะยึดติดกับพื้นผิวเลื่อนอย่างแข็งแรง ฟิล์มของเหลวนี้มีอยู่เสมอระหว่างซีลและพื้นผิวลูกสูบ โดยให้การซีลในระดับหนึ่งและมีความสำคัญต่อการหล่อลื่นพื้นผิวซีลที่เคลื่อนที่ อย่างไรก็ตาม มันเป็นอันตรายต่อการรั่วไหล เมื่อดึงเพลาลูกสูบออก ฟิล์มของเหลวบนเพลาจะถูกดึงไปด้วย เนื่องจากการกระทำ "เช็ด" ของซีล เมื่อเพลาลูกสูบหดกลับ ฟิล์มของเหลวนี้จะถูกเก็บไว้ภายนอกโดยองค์ประกอบซีล เมื่อจำนวนจังหวะลูกสูบเพิ่มขึ้น ของเหลวมากขึ้นจะถูกเก็บไว้ภายนอก ในที่สุดจะเกิดหยดน้ำมัน ซึ่งแสดงถึงการรั่วไหลในซีลแบบลูกสูบ เนื่องจากความหนืดของน้ำมันไฮดรอลิกลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความหนาของฟิล์มน้ำมันจึงลดลงตามไปด้วย ดังนั้น เมื่อสตาร์ทอุปกรณ์ไฮดรอลิกที่อุณหภูมิต่ำ การรั่วไหลจะมากกว่าในช่วงเริ่มต้นของการเคลื่อนที่ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากการสูญเสียต่างๆ ระหว่างการเคลื่อนที่ การรั่วไหลมีแนวโน้มที่จะค่อยๆ ลดลง

โอริง ในฐานะซีลแบบลูกสูบ มีขนาดกะทัดรัดและมีขนาดเล็ก และส่วนใหญ่ใช้ใน:

1) ส่วนประกอบไฮดรอลิกแรงดันต่ำ โดยทั่วไปจำกัดอยู่ที่จังหวะสั้นและแรงดันปานกลางประมาณ 10 MPa

2) วาล์วสปูลไฮดรอลิกขนาดเล็ก จังหวะสั้น และแรงดันปานกลาง

3) วาล์วสปูลนิวเมติกและกระบอกสูบ

4) เป็นอีลาสโตเมอร์ในซีลแบบลูกสูบรวม

โอริงเหมาะที่สุดสำหรับซีลแบบลูกสูบสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก จังหวะสั้น และแรงดันต่ำถึงปานกลาง เช่น ในส่วนประกอบลูกสูบ เช่น กระบอกสูบนิวเมติกและวาล์วสปูล ในส่วนประกอบไฮดรอลิก การใช้โอริงเป็นซีลไดนามิกหลักโดยทั่วไปจำกัดอยู่ที่จังหวะสั้นและแรงดันปานกลางถึงต่ำประมาณ 10 MPa โอริงไม่เหมาะสำหรับซีลแบบลูกสูบความเร็วต่ำมาก หรือเป็นซีลเดียวสำหรับการใช้งานลูกสูบแรงดันสูง นี่เป็นเพราะแรงเสียดทานสูงในสภาวะเหล่านี้ ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนเวลาอันควรของซีล ในการใช้งานใดๆ ซีลจะต้องใช้งานตามข้อมูลหรือความจุที่กำหนด และประกอบอย่างถูกต้องเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่น่าพอใจ

 

3. ซีลแบบหมุน

ซีลน้ำมันและซีลเชิงกลมักใช้สำหรับซีลแบบหมุน อย่างไรก็ตาม ซีลน้ำมันทำงานที่แรงดันต่ำกว่าและมีขนาดใหญ่กว่า ซับซ้อนกว่า และผลิตได้ยากกว่าโอริง ในขณะที่ซีลเชิงกลสามารถทำงานที่แรงดันสูง (40 MPa) ความเร็วสูง (50 m/s) และอุณหภูมิสูง (400°C) โครงสร้างที่ซับซ้อนและใหญ่โตกว่า และต้นทุนที่สูง ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องจักรขนาดใหญ่ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและเคมีเท่านั้น

ปัญหาหลักของโอริงสำหรับการใช้งานแบบหมุนคือความร้อนของจูล ความร้อนจากแรงเสียดทานนี้เกิดขึ้นที่จุดสัมผัสระหว่างเพลาหมุนความเร็วสูงและโอริง ทำให้ อุณหภูมิของจุดสัมผัสเหล่านี้สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้วัสดุยางเสียรูปอย่างรุนแรง และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการบีบอัดและการยืดตัว ความร้อนนี้ยังเร่งการเสื่อมสภาพของวัสดุซีล ลดอายุการใช้งานของโอริง นอกจากนี้ยังทำลายฟิล์มน้ำมันซีล ทำให้เกิดการแตกของน้ำมันและเร่งการสึกหรอของซีล
 

จากสถานการณ์ข้างต้น ได้มีการดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางและเชิงลึกทั้งในประเทศและต่างประเทศเกี่ยวกับโอริงสำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนของจูล กุญแจสำคัญอยู่ที่การเลือกพารามิเตอร์โครงสร้างโอริงอย่างถูกต้องตามคุณสมบัติของยาง โดยหลักคือการยืดตัวและอัตราส่วนการบีบอัดของโอริง การศึกษาเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าโอริงสำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุนควรได้รับการออกแบบให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเท่ากับหรือใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางเพลาหมุนเล็กน้อย โดยทั่วไปใหญ่กว่า 3% ถึง 5% ระหว่างการติดตั้ง โอริงจะถูกบีบอัดจากเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเข้าด้านใน และการบีบอัดหน้าตัดได้รับการออกแบบให้น้อยที่สุด โดยทั่วไปประมาณ 5% นอกจากนี้ วัสดุซีลที่มีผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุดจะถูกนำมาใช้เมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ และมีการพิจารณาการกระจายความร้อนอย่างเหมาะสม ณ จุดติดตั้งโอริง สิ่งนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโอริงอย่างมาก ทำให้สามารถนำไปใช้ในการซีลเพลาหมุนที่มีความเร็วสูงถึง 4 m/s

เมื่อเร็วๆ นี้ ยางฟลูออโรคาร์บอนทนความร้อนและยางโพลียูรีเทนทนต่อการสึกหรอได้เกิดขึ้น และด้วยความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับผลกระทบจากความร้อนของจูลในส่วนประกอบยาง ได้มีการพัฒนาโซลูชันเพื่อแก้ไขปัญหานี้ ซึ่งนำไปสู่การออกแบบโครงสร้างซีลโอริงใหม่ที่เหมาะสมกับการเคลื่อนที่แบบหมุนความเร็วสูงและแรงดันสูง

โอริงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ซีลแบบหมุนเนื่องจากมีขนาดเล็ก โครงสร้างเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพการทำงานที่ดี และการใช้งานที่หลากหลาย