Kuidas tihendusmehhanismid pneumaatilistes süsteemides tegelikult toimivad?

SDA-seeria kompaktsete pneumaatiliste silindrite koostekomplektid

Kas teie pneumaatikasüsteemides esineb õhuleke? Te ei ole üksi. Paljud insenerid võitlevad tihendite riketega, mis põhjustavad tõhususe vähenemist, suurenenud hoolduskulusid ja ootamatuid seisakuid. Õiged teadmised tihendusmehhanismide kohta võivad need püsivad probleemid lahendada.

Pneumaatiliste süsteemide tihendusmehhanismid toimivad kontrollitud deformatsiooni kaudu. elastomeersed materjalid¹ vastu liitpindu. Tõhusad tihendid säilitavad kontaktsurve kokkusurumise (staatilised tihendid) või rõhu, hõõrdumise ja määrimise tasakaalu (dünaamilised tihendid) abil, luues läbitungimatu barjääri õhulekke vastu.

Olen töötanud pneumaatiliste süsteemidega üle 15 aasta Beptos ja olen näinud lugematul hulgal juhtumeid, kus tihendamispõhimõtete mõistmine on säästnud ettevõtetele tuhandeid hoolduskulusid ja vältinud katastroofilisi süsteemirikkeid.

Sisukord

Kuidas mõjutab tihendi tihendi jõudlust O-rõnga tihendussuhe?
Miks on Stribecki kõver pneumaatilise tihendi projekteerimisel oluline?
Mis põhjustab dünaamiliste tihendite hõõrdekuumenemist ja kuidas seda kontrollida?
Kokkuvõte
Korduma kippuvad küsimused pneumaatiliste tihendusmehhanismide kohta

Kuidas mõjutab tihendi tihendi jõudlust O-rõnga tihendussuhe?

O-rõngad on ehk kõige levinumad pneumaatikasüsteemide tihenduselemendid, kuid nende lihtne välimus peidab endas keerulisi tehnilisi põhimõtteid. Nende toimivuse ja pikaealisuse seisukohalt on kriitilise tähtsusega kokkusurumise suhe.

O-rõnga kokkusurumise suhe on paigaldamisel toimunud deformatsiooni protsent algsest ristlõikest. Optimaalne jõudlus nõuab tavaliselt 15-30% kokkusurumist. Liiga vähene kokkusurumine põhjustab lekkeid, samas kui liigne kokkusurumine põhjustab enneaegset purunemist ekstrusiooni tõttu, kompressioonikomplekt²või kiirendatud kulumine.

Kompressioonisuhte õige määramine on keerulisem, kui paljud insenerid mõistavad. Lubage mul jagada mõningaid praktilisi teadmisi oma kogemustest vardata silindrite tihendussüsteemidega.

Optimaalse O-rõnga tihendussuhte arvutamine

Kompressioonisuhte arvutamine näib olevat lihtne:

Parameeter	Valem	Näide
Kompressioonisuhe (%)	[(d - g)/d] × 100	2,5 mm O-rõngale 2,0 mm soones: [(2,5 - 2,0)/2,5] × 100 = 20%
Kokkupressimine (mm)	d - g	2.5mm - 2.0mm = 0.5mm
Nutide täitmine (%)	[π(d/2)²]/[w × g] × 100	2,5 mm O-rõngale 3,5 mm laias, 2,0 mm sügavas soones: [π(2,5/2)²]/[3,5 × 2,0] × 100 = 70%

Kus:

d = O-rõnga ristlõike läbimõõt
g = soonte sügavus
w = soonte laius

Materjalispetsiifilised kokkusurumise suunised

Erinevad materjalid vajavad erinevaid tihendussuhteid:

Materjal	Soovitatav kokkusurumine	Taotlus
NBR (nitriil)	15-25%	Üldotstarbeline, õlikindlus
FKM (Viton)	15-20%	Kõrge temperatuur, keemiline vastupidavus
EPDM	20-30%	Vesi, aururakendused
Silikoon	10-20%	Ekstreemsed temperatuurivahemikud
PTFE	5-10%	Keemiline vastupidavus, madal hõõrdumine

Eelmisel aastal töötasin koos Michaeliga, kes oli hooldusinsener ühes Wisconsini toiduainetööstuses. Tal esines sagedasi õhulekkeid oma vardata balloonisüsteemides, hoolimata sellest, et ta kasutas kõrgekvaliteedilisi O-rõngaid. Pärast tema seadistuse analüüsimist avastasin, et tema soonte konstruktsioon põhjustas NBR O-rõngaste liigset kokkusurumist (peaaegu 40%).

Me kujundasime soonte mõõtmed ümber, et saavutada tihendussuhe 20%, ja tema tihendi kasutusiga paranes 3 kuult üle aasta, säästes tema ettevõttele tuhandeid hoolduskulusid ja seisakuid.

Kompressiooninõudeid mõjutavad keskkonnategurid

Optimaalne tihendussuhe ei ole staatiline - see varieerub sõltuvalt:

Temperatuuri kõikumised: Kõrgemad temperatuurid nõuavad madalamat kokkusurumist, et võtta arvesse soojuspaisumist.
Rõhkude erinevused: Suurem surve võib nõuda suuremat kokkusurumist, et vältida ekstrusiooni.
Dünaamilised vs. staatilised rakendused: Dünaamilised tihendid vajavad tavaliselt madalamat kokkusurumist, et vähendada hõõrdumist.
Paigaldusmeetodid: Paigaldamise ajal toimuv venitus võib vähendada tõhusat kokkusurumist.

Miks on Stribecki kõver pneumaatilise tihendi projekteerimisel oluline?

Stribecki kõver võib kõlada akadeemiliselt, kuid tegelikult on see võimas praktiline tööriist, mis aitab mõista ja optimeerida tihendite toimivust vardata pneumosilindrites ja muudes dünaamilistes rakendustes.

The Stribecki kõver³ illustreerib hõõrdeteguri, määrdeaine viskoossuse, kiiruse ja koormuse vahelist seost libisevatel pindadel. Pneumaatiliste tihendite puhul aitab see inseneridel mõista üleminekut piir-, segatud ja hüdrodünaamilise määrimisrežiimi vahel, mis on oluline tihendite projekteerimise optimeerimiseks konkreetsete töötingimuste jaoks.

Stribecki kõvera graafik, mis kujutab y-teljel olevat "hõõrdetegurit (μ)" ja x-teljel olevat "(viskoossus × kiirus) / koormus". Kõveral on iseloomulik U-kujuline kuju. Graafik on selgelt jaotatud kolmeks märgistatud piirkonnaks. Vasakul, kus hõõrdumine on suur, on "piirnev määrimine". Keskel, kus hõõrdumine väheneb, on režiim "segatõmblus". Paremal, kus hõõrdumine on minimaalne, on "hüdrodünaamilise määrimise" režiim. Iga piirkonna all on väike diagramm, mis illustreerib vastavat vastastikmõju pindade ja määrdeaine vahel. — Stribecki kõverate rakendamine pneumotihendites

Selle kõvera mõistmisel on praktiline mõju sellele, kuidas teie pneumosüsteemid toimivad tegelikes tingimustes.

Pneumaatiliste tihendite kolm määrimisrežiimi

Stribecki kõveras on määratletud kolm erinevat töörežiimi:

Määrimisrežiim	Omadused	Mõju pneumaatilistele tihenditele
Piiri määrimine	Kõrge hõõrdumine, otsene pinnakontakt	Esineb käivitamisel, aeglastel kiirustel; põhjustab stick-slip'i.
Segatud määrimine	Mõõdukas hõõrdumine, osaline vedelikukile	Üleminekutsoon; tundlik pinna viimistluse ja määrdeaine suhtes
Hüdrodünaamiline määrimine⁴	Madal hõõrdumine, täielik vedeliku eraldamine	Ideaalne kiireks tööks; minimaalne kulumine

Stribecki kõvera praktilised rakendused tihendite valikul

Tihendite valimisel vardata silindrite jaoks aitab meid Stribecki kõvera mõistmine:

Tihendusmaterjalide sobitamine töötingimustele: Erinevad materjalid toimivad paremini erinevate määrimisrežiimide korral
Sobivate määrdeainete valimine: Viskoossusnõuded muutuvad sõltuvalt kiirusest ja koormusest.
Optimaalse pinnaviimistluse kujundamine: Karedus mõjutab üleminekut määrimisrežiimide vahel
Prognoosida ja ennetada libisemisnähtusi.: Kriitiline täpsusrakenduste sujuvaks toimimiseks

Juhtumiuuring: Täpse positsioneerimise kepikõnede kaotamine

Mäletan, et töötasin koos Emmaga, kes oli Šveitsis asuva meditsiiniseadmete tootja automaatika insener. Tema vardata silindrisüsteemis esines aeglase kiirusega täppisliigutuste ajal hüppelist liikumist (stick-slip), mis mõjutas toote kvaliteeti.

Analüüsides rakendust Stribecki kõvera abil, leidsime, et tema süsteem töötas piirnevas määrimisrežiimis. Soovitasime vahetada PTFE-põhise tihendusmaterjali vastu, millel on muudetud pinnatekstuur ja teistsugune määrdeaine koostis.

Tulemus? Sujuv liikumine isegi 5 mm/sekundis, mis kõrvaldab kvaliteediprobleemid ja parandab tootmise tootlikkust 15% võrra.

Mis põhjustab dünaamiliste tihendite hõõrdekuumenemist ja kuidas seda kontrollida?

Hõõrdekuumutus jäetakse sageli tähelepanuta, kuni see põhjustab enneaegse tihendi rikke. Selle nähtuse mõistmine on oluline usaldusväärsete ja pika elueaga pneumaatiliste süsteemide projekteerimiseks.

Hõõrdeküte⁵ dünaamilistes tihendites tekib siis, kui mehaaniline energia muundub soojusenergiaks tihendi ja vastuspinna vahelisel kontaktliidesel. Seda soojendamist mõjutavad sellised tegurid nagu pinna kiirus, kontaktrõhk, määrimine ja materjali omadused. Liigne kuumenemine kiirendab tihendi lagunemist materjalide termilise lagunemise tõttu.

Tehniline infograafika, mis selgitab pneumotihendi hõõrdekoormust. Sellel on kujutatud piki pinda libiseva tihendi suurendatud ristlõige, mille nooltega on näidatud "Pinna kiirus" ja "kontaktrõhk". Libiseva kokkupuutepunkti juures on punaselt hõõguv ala tähistatud "Hõõrdekuumenemine". Tihendusmaterjali suurendatud sisselõikes on näha väikesed praod, mis on tähistatud "Seal Degradation" (Tihendi lagunemine), et illustreerida tekkinud kahjustusi. — Dünaamilise tihendi hõõrdumise kuumutamise mõju

Hõõrdekuumuse tagajärjed võivad olla tõsised, alates tihendi lühenenud elueast kuni katastroofilise rikkeeni. Uurime seda nähtust üksikasjalikumalt.

Hõõrdekoormuse tekke kvantifitseerimine

Hõõrdumise tekitatud soojust saab hinnata, kasutades:

Parameeter	Valem	Näide
Soojuse tootmine (W)	Q = μ × F × v	μ=0,2, F=100N, v=0,5m/s: Q = 0,2 × 100 × 0,5 = 10W
Temperatuuri tõus (°C)	ΔT = Q/(m × c)	10W soojuse, 5g tihendi puhul c=1,7J/g°C: ΔT = 10/(5 × 1,7) = 1,18°C/s.
Stabiilne temperatuur	Tss = Ta + (Q/hA)	Sõltub soojusülekande koefitsiendist ja pindalast

Kus:

μ = hõõrdetegur
F = normaaljõud
v = libisemise kiirus
m = mass
c = erisoojusvõimsus
Ta = ümbritseva keskkonna temperatuur
h = soojusülekande koefitsient
A = pindala

Kriitilise temperatuuri piirmäärad tavaliste tihendusmaterjalide jaoks

Erinevatel tihendusmaterjalidel on erinevad temperatuuripiirid:

Materjal	Maksimaalne pidev temperatuur (°C)	Termilise lagunemise tunnused
NBR (nitriil)	100-120	Kõvenemine, pragunemine, vähenenud elastsus
FKM (Viton)	200-250	värvimuutus, vähenenud vastupidavus
PTFE	260	Mõõdumuutused, vähenenud tõmbetugevus
TPU	80-100	Pehmenemine, deformatsioon, värvimuutus
UHMW-PE	80-90	Deformatsioon, vähenenud kulumiskindlus

Strateegiad hõõrdekuumuse leevendamiseks

Tuginedes oma kogemustele vardata silindri rakenduste puhul, on siin tõhusad strateegiad hõõrdekuumuse kontrollimiseks:

Optimeerida kontaktsurve: Vähendage võimaluse korral tihendite sekkumist ilma tihendamist ohustamata.
Parandada määrimist: Valige sobiva viskoossuse ja temperatuuristabiilsusega määrdeained.
Materjali valik: Valige madalama hõõrdekoefitsiendi ja suurema termilise stabiilsusega materjalid.
Pinnatehnika: Määrata sobiv pinnaviimistlus ja pinnakatted hõõrdumise vähendamiseks.
Kuumuse hajutamise disain: Sisaldab funktsioone, mis parandavad soojusülekannet tihenditest eemale.

Reaalsed rakendused: Konstruktsioon kõrgkiiruselise vardata silindri projekteerimine

Üks meie klient Saksamaal kasutab kiirpakkeseadmeid, mille vardata silindrid töötavad kiirusega kuni 2 m/s. Nende originaaltihendid läksid hõõrdekuumuse tõttu katki juba pärast 3 miljonit tsüklit.

Viisime läbi termilise analüüsi ja avastasime, et tihendi liidese juures saavutati temperatuurid, mis ulatusid 140 °C-ni, mis ületas tunduvalt nende NBR-tihendite 100 °C piiri. Üleminekuga komposiit PTFE-tihendile, mille kontaktgeomeetria on optimeeritud, ja silindri soojuse hajutamise parandamisega pikendasime tihendi kasutusiga üle 20 miljoni tsükli.

Kokkuvõte

O-rõngaste tihendussuhete, Stribecki kõvera praktiliste rakenduste ja hõõrdekuumuse mehhanismide mõistmine annab aluse usaldusväärsete ja kauakestvate pneumaatiliste tihendussüsteemide projekteerimiseks. Neid põhimõtteid rakendades saate valida õiged tihendid oma vardata silindrirakenduste jaoks, lahendada olemasolevaid probleeme ja ennetada kulukaid rikkeid enne nende tekkimist.

Korduma kippuvad küsimused pneumaatiliste tihendusmehhanismide kohta

Milline on ideaalne tihendussuhe O-rõngaste jaoks pneumaatilistes rakendustes?

Pneumaatilistes rakendustes on O-rõngaste ideaalne tihendussuhe tavaliselt 15-25% staatiliste tihendite puhul ja 10-20% dünaamiliste tihendite puhul. See vahemik tagab piisava tihendamisjõu, vältides samas liigset kokkusurumist, mis võib põhjustada enneaegset riket, eriti vardata silindri rakendustes.

Kuidas aitab Stribecki kõver minu rakenduse jaoks õige tihendi valimisel?

Stribecki kõver aitab kindlaks teha, millises määrimisrežiimis teie rakendus töötab kiiruse, koormuse ja määrdeaine omaduste alusel. Madala kiirusega ja suure koormusega rakenduste puhul valige tihendid, mis on optimeeritud piirnevaks määrimiseks. Kiirete rakenduste jaoks valige hüdrodünaamiliste määrimistingimuste jaoks mõeldud tihendid.

Mis põhjustab pneumosilindrite kleepuvat liikumist ja kuidas seda vältida?

Stick-slip-liikumine on tingitud staatilise ja dünaamilise hõõrdeteguri erinevusest, eriti piiriäärse määrimise režiimil. Ennetage seda, kasutades PTFE-põhiseid või muid vähese hõõrdumisega tihendusmaterjale, kasutades sobivaid määrdeaineid, optimeerides pinna viimistlust ja tagades teie vardata silindri rakendusele sobiva tihendi kokkusurumise.

Kui suur temperatuuritõus on dünaamiliste tihendite puhul vastuvõetav?

Aktsepteeritav temperatuuritõus sõltub tihendi materjalist. Üldreeglina tuleks hoida töötemperatuur vähemalt 20 °C madalamal kui materjali maksimaalne kestev temperatuur. NBR (nitriil) tihendite puhul, mis on levinud varraseta silindrites, hoidke temperatuuri alla 80-100 °C, et pikendada kasutusiga.

Milline on seos tihendi kõvaduse ja survenõuete vahel?

Kõvemad tihendusmaterjalid (kõrgema duromeetriaga) vajavad tavaliselt vähem kokkusurumist, et saavutada tõhus tihendus. Näiteks 90 Shore A materjal võib vajada ainult 10-15% kokkusurumist, samas kui pehmem 70 Shore A materjal võib vajada 20-25% kokkusurumist, et saavutada sama tõhusat tihendamist pneumaatilistes rakendustes.

Kuidas arvutada O-rõnga tihendi soonte mõõtmed?

Arvutage soonte mõõtmed, määrates teie rakenduse ja materjali jaoks vajaliku tihendussuhte. Standardse 25% 2,5 mm O-rõnga kokkusurumise puhul on soonte sügavus 1,875 mm (2,5 mm × 0,75). Soonte laius peaks võimaldama 60-85% soonte täitmist, et võimaldada kontrollitud deformatsiooni ilma liigse pingeta.

Selgitatakse põhjalikult elastomeere (viskoelastsed polümeerid), mis on peamised pneumotihendites kasutatavad materjalid, kuna nad suudavad deformeeruda ja tagasi pöörduda oma algsesse vormi. ↩
Pakub tehnilist määratlust survekinnituse, tihendi püsiva deformatsiooni kohta pärast pikaajalist survetugevust, mis on staatilise tihendi rikke peamine põhjus. ↩
Tutvustab üksikasjalikult Stribecki kõvera põhimõtteid, mis on triboloogia valdkonna põhiline graafik, mis näitab, kuidas hõõrdumine kahe määritud pinna vahel sõltub viskoossusest, koormusest ja kiirusest. ↩
Selgitab hüdrodünaamilise määrimise režiimi, ideaalset seisundit, kus täielik, pidev vedeliku kile eraldab täielikult kaks liikuvat pinda, mille tulemuseks on minimaalne hõõrdumine ja kulumine. ↩
Kirjeldatakse hõõrdekuumuse füüsikat, protsessi, mille käigus mehaaniline energia muundub soojusenergiaks libiseva liidese juures, mis on kriitiline tegur dünaamiliste tihendite termilise lagunemise juures. ↩

Tere, ma olen Chuck, vanemekspert, kellel on 15-aastane kogemus pneumaatikatööstuses. Bepto Pneumaticus keskendun kvaliteetsete ja kohandatud pneumaatiliste lahenduste pakkumisele meie klientidele. Minu teadmised hõlmavad tööstusautomaatikat, pneumaatikasüsteemide projekteerimist ja integreerimist, samuti võtmekomponentide rakendamist ja optimeerimist. Kui teil on küsimusi või soovite arutada oma projekti vajadusi, võtke minuga ühendust aadressil chuck@bepto.com.