Um O-ring é um tipo de anel de vedação de borracha com seção transversal circular. Seu nome vem de sua seção transversal em forma de O e é comumente chamado de O-ring.
O O-ring foi introduzido pela primeira vez em meados do século XIX como elemento de vedação para cilindros de motores a vapor. Hoje, é amplamente utilizado devido ao seu preço acessível, facilidade de fabricação, desempenho confiável e requisitos simples de instalação. Como resultado, o O-ring é o projeto mais utilizado para vedação mecânica.
O O-ring pode suportar alta pressão, medida em dezenas de megapascais (quilo libras). Ele pode ser utilizado em aplicações estáticas e dinâmicas onde os componentes se movem uns em relação aos outros, como em eixos de bombas rotativas e pistões de cilindros hidráulicos.
1. Visão Geral
1.1 Características do anel de vedação
Um O-ring é um pequeno elemento de vedação em forma de anel que normalmente possui uma seção transversal circular. O principal material utilizado em sua fabricação é o composto sintético para moldagem, tornando-o o tipo de vedação mais utilizado na engenharia hidráulica. É usado principalmente para vedações estáticas e deslizantes.
Comparado com outras vedações, o O-ring tem diversas vantagens, incluindo:
a. Vedação eficaz e longa vida útil
b. A capacidade de vedar em ambas as direções com um único anel
c. Boa compatibilidade com óleo, temperatura e pressão
d. Baixa resistência ao atrito dinâmico
e. Tamanho pequeno, peso leve e baixo custo
f. Uma estrutura de vedação simples e facilmente desmontável
g. A capacidade de ser usada como vedação estática ou dinâmica
h. Tamanho e ranhura padronizados, tornando-o conveniente para seleção e fornecimento
Uma das desvantagens do O-ring é que, quando utilizado como vedação dinâmica, possui uma grande resistência ao atrito, que é cerca de 3 a 4 vezes maior que o seu atrito dinâmico. Além disso, é propenso a ser espremido na barreira sob alta pressão.
1.2 Representação
1GB/TMétodo de expressão 3452.1-1982
Diâmetro interno d1 × Diâmetro do fio d2
Por exemplo:
- Anel de vedação 20 × 2,4 GB3452.1-82
O “20” indica que o diâmetro interno do O-ring é 20mm.
O “2,4” refere-se ao diâmetro da seção transversal do O-ring, que é de 2,4 mm.
“GB3452.1” é o número padrão.
“82” representa o ano em que a norma foi publicada.
- 24002000 GB3452.1-82
O “2400” representa o diâmetro da seção transversal do O-ring, que é de 2,4 mm.
O “0200” indica que o diâmetro interno do O-ring é 20mm.
Tal como no primeiro exemplo, “GB3452.1” é o número padrão e “82” representa o ano em que o padrão foi publicado.
2. Representação de GB/T3452.1-2005
Por exemplo:
(1) Anel de vedação 7,5 × 1,8 G GB/T3452.1
O “7,5” indica o diâmetro interno do O-ring.
O “1,8” refere-se ao diâmetro da seção transversal do O-ring.
A série “G” refere-se ao “O-ring universal”. Existem outras séries, como “A” que significa “O-ring for Aerospace”.
(2) Um 0 × 0 × 7 × 5XG GB/T3452.1
A série “A” refere-se ao diâmetro do fio do O-ring de 1,80 mm. Existem outras séries com diferentes diâmetros de fio, como:
- “B” para diâmetro do fio do anel de vedação de 2,65 mm
- “C” para diâmetro do fio do anel de vedação de 3,55 mm
- “D” para diâmetro do fio do anel de vedação de 5,30 mm
- “E” para diâmetro do fio do anel de vedação de 7,30 mm
2. Estado de funcionamento do anel de vedação
2.1 Função do O-ring para vedação estática
O O-ring é um tipo de vedação de extrusão. O princípio básico de uma vedação por extrusão é que ela depende da deformação elástica da vedação para criar pressão de contato na superfície de vedação. Se esta pressão de contato for maior que a pressão interna do meio selado, não haverá vazamento, caso contrário, ocorrerá vazamento. O processo no qual o próprio meio altera o estado de contato do O-ring para obter a vedação é denominado “autovedação”.
Pré-vedação de Q-ring
Efeito autovedante:
Devido ao efeito de pré-vedação, o O-ring está em contato próximo tanto com a superfície lisa selada quanto com o fundo da ranhura. Como resultado, quando o fluido entra na ranhura através de uma folga, ele atua apenas em um lado do O-ring. Quando a pressão do fluido é alta, ele empurra o anel de vedação para o outro lado da ranhura e o comprime em forma de D, transferindo a pressão para a superfície de contato.
No entanto, a capacidade de autovedação dos O-rings é limitada. Quando a pressão interna é muito alta, o O-ring pode sofrer “extrusão de borracha”. Isto ocorre quando há uma folga no ponto de vedação e a alta pressão causa concentração de tensão na folga. Quando a tensão atinge um certo nível, a borracha será espremida. Embora o O-ring possa manter temporariamente a vedação, na verdade ele foi danificado. Portanto, é importante selecionar cuidadosamente o O-ring apropriado para a aplicação.
2.2 Função do O-ring para vedação dinâmica
Nas vedações dinâmicas, os efeitos de pré-vedação e autovedação do O-ring são semelhantes aos das vedações estáticas. No entanto, a situação é mais complicada em vedações dinâmicas devido ao potencial de introdução de fluido entre o O-ring e a haste durante o movimento.
Quando a haste está em operação, se o lado esquerdo do O-ring sofrer a ação da pressão média P1 (conforme mostrado na Figura a), a pressão de contato gerada pelo O-ring na haste é maior que P1 devido ao efeito autovedante, garantindo uma vedação.
Porém, quando a haste começa a se mover para a direita, o meio preso à haste é levado até o espaço entre o O-ring e a haste (Figura b). Devido ao efeito hidrodinâmico, a pressão desta parte do meio é maior que P1 e pode exceder a força de contato do O-ring na haste, fazendo com que o meio se esprema na primeira ranhura do O-ring (Figura c ). À medida que a haste continua a se mover para a direita, o meio continuará a entrar na próxima ranhura, resultando em vazamento na direção do movimento da haste.
É menos provável que ocorra vazamento quando a haste se move para a esquerda, pois a direção de condução é oposta à direção de pressão da haste. A probabilidade de vazamento aumenta com a viscosidade do meio e a velocidade do movimento da haste, além de estar intimamente relacionada ao tamanho e à pressão de trabalho do O-ring.
2.3 Sforma de vedação do O-ring
- As vedações O-ring podem ser categorizadas com base no movimento relativo entre a vedação e o dispositivo selado:
- Selos estáticos
- Selos alternativos
- Selos rotativos
- Selos de interruptor
- A compressão (aperto) do ajuste de vedação de compressão do O-ring na ranhura retangular pode ser dividida em cinco ajustes básicos de vedação:
- Ajuste de compressão
- Ajuste de aperto da manga
- Ajuste hidráulico
- Ajuste pneumático
- Ajuste giratório
Além disso, há um ajuste de vedação por compressão na ranhura do chanfro da face final, bem como dois métodos especiais de vedação:
- Selo deslizante
- Selo flutuante
- A estrutura das peças vedadas pode ser usada para categorizar as vedações O-ring nos seguintes tipos:
- Vedações finais, que incluem vedações axiais e vedações angulares (como vedações de ranhura chanfrada na superfície final de um furo ou eixo)
- Vedações cilíndricas, que incluem vedações radiais (como vedações cilíndricas de diâmetro interno para hastes de pistão e vedações cilíndricas de diâmetro externo para pistões)
- Selos cônicos
- Selos esféricos.
3. Projeto e aplicação do O-ring
3.1 Sparâmetros de serviço do O-ring
3.1.1 Ctaxa de compressão
A taxa de compressão (W) de um O-ring é expressa como:
W = (d2 – h) / d2 × 100%
Onde:
d2 – O diâmetro da seção transversal do O-ring em seu estado livre (mm)
h – A distância entre a parte inferior da ranhura do O-ring e a superfície vedada (profundidade da ranhura), que é a altura da seção transversal do O-ring após a compressão (mm).
Ao escolher a taxa de compressão de um O-ring, é importante considerar os seguintes fatores:
- Área de contato de vedação adequada
- Fricção mínima
- Evitar deformação permanente
A seleção da taxa de compressão (W) também deve levar em consideração as condições de serviço e se se trata de vedação estática ou dinâmica.
As vedações estáticas podem ser divididas em vedações radiais e vedações axiais. As vedações radiais possuem folgas radiais e as vedações axiais possuem folgas axiais.
As vedações axiais podem ser divididas em vedações de pressão internas e vedações de pressão externas, dependendo se o meio de pressão atua no diâmetro interno ou no diâmetro externo do O-ring. A pressão interna aumenta a tensão, enquanto a pressão externa diminui a tensão inicial do O-ring.
Para essas diferentes formas de vedações estáticas, a direção do meio de vedação no O-ring é diferente, portanto o projeto de pré-pressão também é diferente.
Para vedações dinâmicas, é importante distinguir entre vedações alternativas e vedações rotativas.
- Vedação estática: O dispositivo de vedação estática cilíndrica é semelhante ao dispositivo de vedação alternativo e normalmente tem uma taxa de compressão de -10% a 15%. O dispositivo de vedação estática plana tem uma taxa de compressão de -15% a 30%.
- Para vedações dinâmicas, pode ser dividido em três casos: O movimento alternativo normalmente tem uma taxa de compressão de 10% a -15%.
Ao selecionar a taxa de compressão para vedações de movimento rotativo, é necessário considerar o efeito do calor Joule. Geralmente, o diâmetro interno do O-ring usado para movimento rotativo é 3% a 5% maior que o diâmetro do eixo e a taxa de compressão do diâmetro externo é de -3% a 8%.
Para anéis de vedação usados em aplicações de baixo atrito, uma pequena taxa de compressão de 5% a 8% é normalmente selecionada para reduzir a resistência ao atrito. Também é importante considerar a expansão dos materiais de borracha devido ao meio e à temperatura.
Normalmente, a taxa de expansão máxima permitida é de 15% além da deformação de compressão fornecida. Se esta faixa for excedida, isso indica que a seleção do material é inadequada e um material diferente para o O-ring deve ser usado ou a taxa de deformação por compressão deve ser corrigida.
3.1.2 Squantidade de alongamento
Depois que o O-ring é instalado na ranhura de vedação, ele normalmente apresenta um certo nível de tensão. Esta tensão, assim como a taxa de compressão, afeta muito o desempenho de vedação e a vida útil do O-ring. A tensão excessiva dificulta a instalação do O-ring e reduz a taxa de compressão, causando vazamentos.
A quantidade de alongamento pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
uma = (d + d2) / (d1 + d2)
Onde:
d – diâmetro do eixo (mm) d1 – diâmetro interno do O-ring (mm)
A faixa recomendada para quantidade de alongamento é de 1% a 5%. A Tabela 1 fornece o valor de alongamento recomendado para anéis de vedação, e o valor de alongamento pode ser selecionado e limitado com base no tamanho do diâmetro do eixo.
Limites da Tabela I da taxa de compressão e quantidade de alongamento do O-ring
| Forma de vedação | Meio de vedação | Quantidade de alongamento a (%) | Taxa de compressão w (%) |
| Selo estático | Óleo hidráulico | 1,03~1,04 | 15~25 |
| Ar | <1,01 | 15~25 | |
| Movimento alternativo | Óleo hidráulico | 1.02 | 12~17 |
| Ar | <1.010.95~1 | 12~173~8 | |
| Movimento rotacional | Óleo hidráulico | 0,95~1 | 3~8 |
3.2 EUranhura de instalação do O-ring
A compressão de um O-ring é determinada principalmente pelo projeto e pelas dimensões da ranhura de instalação.
Ranhuras retangulares e triangulares são os formatos mais comumente usados, sendo as ranhuras triangulares utilizadas apenas para vedações fixas específicas.
Os formatos das ranhuras para vedações estáticas, vedações alternativas e vedações dinâmicas podem ser semelhantes, mas seus tamanhos variam para acomodar diferentes requisitos de compressão.
3.2.1 Slargura do lote
A largura do slot é considerada a partir das três perspectivas a seguir:
- Deve ser maior que o diâmetro máximo do O-ring após a deformação por compressão.
- O impacto do aquecimento induzido pelo movimento na expansão e no inchaço do O-ring deve ser levado em consideração.
- Deve ser fornecido espaço adequado na ranhura para permitir que o anel de vedação role livremente durante o movimento alternativo.
Geralmente é recomendado que a área da seção transversal do O-ring ocupe pelo menos 85% da área da seção transversal retangular. Em muitos casos, a largura da ranhura é 1,5 vezes o diâmetro da seção transversal do O-ring.
É importante observar que uma ranhura estreita aumentará o atrito e causará maior desgaste no O-ring. Por outro lado, se a ranhura for muito larga, aumentará a amplitude de movimento do O-ring e o tornará mais suscetível ao desgaste. Além disso, sob vedações estáticas com pressão pulsante, o O-ring pode apresentar movimento pulsante e desgaste anormal.
Em situações de alta pressão, um anel de retenção deve ser utilizado e a largura da ranhura deve ser aumentada de acordo.
3.2.2 Gprofundidade do telhado
A profundidade da ranhura é um fator crucial para o bom funcionamento do O-ring. Depende principalmente da deformação por compressão do O-ring.
Esta deformação é composta pela deformação por compressão (A1) no diâmetro interno do O-ring e pela deformação por compressão (A2) no diâmetro externo do O-ring.
Quando A1 = A2, a seção transversal do O-ring coincide com o centro da seção transversal da ranhura e os dois círculos são iguais, indicando que o O-ring não é esticado durante a instalação.
Quando A1>A2, a circunferência do centro da seção do O-ring é menor que a do centro da ranhura, indicando que o O-ring está instalado em um estado esticado.
Quando A1
Ao projetar a profundidade da ranhura, o uso pretendido do O-ring deve ser considerado primeiro, seguido pela seleção de uma taxa de deformação por compressão razoável. O inchaço do material no meio, o inchaço do próprio material e outros fatores relacionados também devem ser levados em consideração.
No entanto, existem normas relevantes fornecidas pelo estado para a estrutura das ranhuras.
3.2.3 Seleição e desenho de ranhuras
1. Forma de instalação da ranhura
Explicar:
- Para evitar que o O-ring seja danificado ao ser comprimido em uma folga, geralmente é recomendado fixar a vedação quando a pressão de trabalho do líquido exceder 10MPa. Se a pressão do líquido exceder 32MPa, um anel de vedação deverá ser adicionado (conforme mostrado na Fig. c). O número de anéis depende da pressão do O-ring.
- Quando há pressão externa aplicada na vedação axial, é importante adicionar uma saliência no diâmetro d8 para evitar que o O-ring entre na tubulação.
Tabela II Tamanho da ranhura radial do O-ring
| Diâmetro da seção do anel de vedação d2 | 1,80 | 2,65 | 3,55 | 17h30 | 7h00 | ||
| largura da vala | Selo pneumático | 2.2 | 3.4 | 4.6 | 6,9 | 9.3 | |
| Vedação dinâmica hidráulica ou vedação estática | b+0,25 | 2.4 | 3.6 | 4.8 | 7.1 | 9.59.5 | |
| b1+0,25 | 3.8 | 5,0 | 6.2 | 9,0 | 12.3 | ||
| b2+0,25 | 5.2 | 6.4 | 7.6 | 10.9 | 15.1 | ||
| Profundidade da ranhura t | Vedação da haste do pistão, (para cálculo d3) | Selo dinâmico hidráulico | 1,42 | 2.16 | 2,96 | 4,48 | 5,95 |
| Selo pneumático | 1,46 | 2.23 | 3.03 | 4,65 | 6h20 | ||
| Selo estático | 1,38 | 2.07 | 2,74 | 4.19 | 5,67 | ||
| Vedação da haste do pistão, (para cálculo d6) | Selo dinâmico hidráulico | 1,47 | 2.24 | 3.07 | 4,66 | 6.16 | |
| Selo pneumático | 1,57 | 2,37 | 3.24 | 4,86 | 6,43 | ||
| Selo estático | 1,42 | 2.15 | 2,85 | 4,36 | 5,89 | ||
| Comprimento mínimo do chanfro Zmin | 1.1 | 1,5 | 1,8 | 2.7 | 3.6 | ||
| Raio de filete inferior da ranhura r1 | 0,2-0,4 | 0,4-0,8 | 0,8-1,2 | ||||
| Raio do filete da ranhura r2 | 0,1-0,3 | ||||||
| Diâmetro máximo da parte inferior da ranhura de vedação da haste do pistão d3máx.=d4+2t, d4 diâmetro da haste do pistão | |||||||
| O diâmetro mínimo da parte inferior da ranhura de vedação da haste do pistão d6 minutos=d5máx.+2t, d5máx. diâmetro máximo da haste do pistão. | |||||||
A China estabeleceu padrões para a série de anéis de vedação com tamanho de ranhura. Os detalhes podem ser encontrados na Tabela 3.
Tabela III Tamanho da ranhura e compressão para vedação
| Tolerância dimensional da seção do anel 0 | 1,9±0,08 | 2,4±0,08 | 3,1±0,10 | 3,5±0,10 | 5,7±0,15 | 8,6±0,16 | |||
| Vedação fixa axial | Quantidade de compressão | 0,60~0,40 | 0,70~0,504 | 0,85~0,55 | 0,90~0,65 | 1,3~0,9 | 1,6~1,0 | ||
| Tamanho da ranhura | h | 1,3~1,5 | 1,7~1,9 | 2,25~2,55 | 2,60~2,85 | 4,40~4,80 | 7h00~2h60 | ||
| b | 2,50 | 3.20 | 4.2 | 4,70 | 7h50 | 11.2 | |||
| r≤ | 0,40 | 0,7 | 0,80 | ||||||
| Para esportes | Quantidade de compressão | 0,47~0,28 | 0,47~0,27 | 0,54~0,30 | 0,60~0,324 | 0,85~0,45 | 1,06~0,68 | ||
| Tamanho da ranhura | h | 1,43~1,62 | 1,93~2,13 | 2,65~2,80 | 2,90~3,18 | 4,85~5,25 | 7,54~7,92 | ||
| b | Sem anel de retenção | 2,5 | 3.2 | 4.2 | 4,70 | 7,5 | 11.2 | ||
| Adicione um anel de retenção | 3.9 | 4.4 | 5.2 | 6,0 | 9,0 | 13.2 | |||
| Adicione dois anéis de retenção | 5h40 | 6,0 | 7,0 | 7,8 | 11,5 | 17.2 | |||
| r≤ | 0,4 | 0,7 | 0,8 | ||||||
|
Observação: h refere-se à altura da ranhura; b representa a largura da vala; r refere-se ao chanfro da ranhura. |
|||||||||
3. Requisitos de processamento de ranhura de anel de vedação
Para evitar vazamentos devido a arranhões e instalação inadequada, existem certos requisitos para a precisão das ranhuras e componentes relacionados ao instalar anéis de vedação.
Primeiro, as bordas que passam durante a instalação devem ser rombas ou arredondadas, e o orifício interno que passa deve ser chanfrado em um ângulo de 10 a 20 graus.
Em segundo lugar, a precisão da superfície ao longo do caminho de instalação do O-ring deve ser cuidadosamente considerada. O eixo deve ter baixo valor de rugosidade e ser lubrificado se necessário.
Os requisitos para ranhura de instalação e precisão de superfície correspondente podem ser encontrados na Tabela IV.
Tabela IV Acabamento superficial das peças correspondentes da ranhura de vedação de borracha em forma de O
| superfície | Formulários | Condição de pressão. | Acabamento de superfície |
| Parte inferior e laterais da trincheira | Vedação hermética | Não alternado e sem pulso, | R.3.2um |
| Alternando ou pulso, | R.1.6um | ||
| Selo dinâmico, | Não alternado e sem pulso. | ||
| Superfície de acoplamento | Vedação hermética | Não alternado e sem pulso. | R.1.6um. |
| Alternando ou pulso, | R.0,8um | ||
| Selo dinâmico | R0,4 μm |
3.3 Mseleção material do O-ring
A seleção do material do O-ring leva em consideração os seguintes fatores:
- O estado de funcionamento do O-ring, como se ele é usado para vedação estática, vedação dinâmica ou vedação deslizante.
- O estado operacional da máquina, incluindo se ela funciona de forma contínua ou intermitente, e a duração de cada interrupção e seu impacto no componente de vedação.
- O meio de trabalho, seja ele gasoso ou líquido, e suas propriedades físicas e químicas.
- A pressão de trabalho, incluindo magnitude de pressão, amplitude de flutuação, frequência e pressão instantânea máxima.
- A temperatura de trabalho, incluindo a temperatura instantânea e a temperatura alternada de quente e frio.
- O custo e a disponibilidade.
Normalmente, a borracha nitrílica é usada para resistência ao óleo, borracha de cloropreno para resistência às intempéries e resistência ao ozônio, borracha de acrilato ou borracha de cloro para resistência ao calor, borracha de poliuretano para resistência a alta pressão e resistência ao desgaste e borracha de copoliazol para resistência ao frio e resistência ao óleo.
O escopo de aplicação de vários adesivos pode ser encontrado na Tabela 5.
Tabela V Especificação para uso de materiais de vedação de O-ring
| Ciência dos Materiais | Mídia aplicável | Temperatura de serviço/℃ | Observações | |
| Para esportes | Uso estático | |||
| Borracha nitrílica | Óleo mineral, gasolina, benzeno | 80 | -30~120 | |
| Neoprene | Ar, água, oxigênio | 80 | -40~120 | Precauções para esportes |
| borracha butílica | Óleo animal e vegetal, ácido fraco, álcali | 80 | -30~110 | Grande deformação permanente, não adequada para óleo mineral |
| borracha de butadieno estireno | Álcalis, óleos animais e vegetais, ar, água | 80 | -30~100 | Não aplicável a óleo mineral |
| Borracha natural | Água, ácido fraco, base fraca | 60 | -30~90 | Não aplicável a óleo mineral |
| Borracha de silicone | Óleo de alta e baixa temperatura, óleo mineral, óleo animal e vegetal, oxigênio, ácido fraco, base fraca | -60~260 | -60~260 | Não é adequado para vapor, evite usar em peças móveis |
| Polietileno clorossulfonado | Óleo de alta temperatura, oxigênio, ozônio | 100 | -10~150 | Evite usar em peças móveis |
| Borracha de poliuretano | Água, óleo | 60 | -30~80 | Resistente ao desgaste, mas evite uso em alta velocidade |
| Borracha fluorada | Vapor de óleo quente, ácido inorgânico | 150 | -20~200 | |
| teflon | Ácidos, bases, vários solventes | -100~260 | Não aplicável a peças móveis | |
