Os anéis de vedação são um elemento de vedação importante na engenharia mecânica e são usados em muitas indústrias. Eles fornecem excelente vedação contra fluidos de alta pressão e podem manter o desempenho mesmo em ambientes de trabalho adversos.
Neste artigo esclarecemos a questão do que é um O-ring, como são construídas as ranhuras do O-ring, que tipos existem e de que materiais são feitos. Também abordaremos alguns cálculos básicos do anel de vedação.
O que são anéis de vedação?
Os O-rings são vedações mecânicas que garantem uma vedação de alta qualidade entre duas superfícies conjugadas. Isso significa que eles são responsáveis por bloquear o fluxo de fluidos de um lado para o outro da vedação. Por exemplo, considere uma bomba. Sua saída contém líquidos em alta temperatura e alta pressão, que podem escapar facilmente para o espaço de baixa pressão, reduzindo a eficiência da bomba. A instalação de anéis de vedação onde o fluido pode vazar evita isso, garantindo uma vedação forte.
Além disso, os O-rings têm o formato de um anel, geralmente com seção transversal circular. Eles geralmente são feitos de um elastômero flexível, pois a flexibilidade é a propriedade mais importante do material para que os O-rings funcionem com eficiência.
Os anéis de vedação podem vedar estática e dinamicamente. Em uma vedação estática, ambas as superfícies correspondentes são estacionárias, enquanto em uma vedação dinâmica há movimento relativo entre elas.
Princípio de funcionamento da ranhura/superfície do O-ring
O princípio de funcionamento da ranhura do O-ring é simples. Ao conectar as duas superfícies de contato, o O-ring é preso entre elas, criando uma vedação hermética. Para tornar isso possível, uma ranhura é usinada na superfície da peça interna no ponto onde a vedação é necessária. Os engenheiros chamam essa ranhura de ranhura do anel de vedação (caixa de empanque do anel de vedação).
As dimensões da ranhura do O-ring requerem um ligeiro estiramento do O-ring para obter um encaixe estável do O-ring na ranhura, semelhante a um encaixe rápido. Além disso, o diâmetro do O-ring é intencionalmente mantido um pouco maior que a profundidade da ranhura do O-ring, fazendo com que ele se projete além da superfície de contato.
Esta peça estendida entra em contato com a superfície externa de contato durante a montagem. A pressão de montagem comprime tanto o O-ring que preenche parcialmente a ranhura do O-ring (caixa de empanque do O-ring) e veda a folga entre as duas superfícies. Essa lacuna é outra consideração importante de design. Os engenheiros usam o termo “lacuna de folga” para descrevê-lo.
Tipos de ranhuras/caixas de vedação para anéis de vedação
A ranhura do anel de vedação (caixa de vedação do anel de vedação) é o recurso de design mais importante para a produção de anéis de vedação eficientes. Eles estão disponíveis em diferentes formatos e tamanhos dependendo da aplicação. Aqui apresentamos alguns dos mais importantes tipos de ranhuras para anéis de vedação.
Flange/ranhura de vedação mecânica
A ranhura de vedação do flange é o tipo mais comum e simples de ranhura para anel de vedação. A ranhura é retangular e não possui folga entre as superfícies de contato. Há, portanto, contato direto superfície a superfície, evitando quaisquer problemas associados às lacunas de extrusão do anel.
Além disso, a ranhura de vedação do flange é um projeto de ranhura de anel de vedação estático, adequado para componentes imóveis. A tabela a seguir mostra as dimensões recomendadas da ranhura do O-ring para vários tamanhos de acordo com o padrão AS568.
Ranhura em cauda de andorinha
A ranhura em cauda de andorinha tem paredes laterais inclinadas, dando-lhe a aparência de cauda de andorinha, daí o nome. A inclinação da parede cria uma ranhura com seção transversal trapezoidal, cujo principal objetivo é manter o O-ring no lugar durante a instalação e manutenção. Este projeto é adequado para vedação estática. Além disso, o recurso de travamento torna a ranhura em cauda de andorinha ideal para aplicações que exigem desmontagem e manutenção regulares, pois permite menos tempo de inatividade e manuseio mais rápido.
No entanto, os projetistas devem ter cuidado ao escolher as dimensões da ranhura em cauda de andorinha porque um grande ângulo de inclinação pode limitar o espaço dentro da ranhura no qual o O-ring pode se expandir. Neste caso, a falta de espaço pode danificar o O-ring e afetar a qualidade da vedação. A tabela a seguir resume as dimensões recomendadas de uma ranhura de anel de vedação em cauda de andorinha (caixa de vedação de anel de vedação) para vários tamanhos de anel de vedação.
| Anel de vedação CS | Profundidade da ranhura (L) | Espremer (%) | Largura da ranhura (G) | Raio do suporte (R) | Raio da ranhura (R₁) |
| 0,07 | 0,053 – 0,055 | 23 | 0,057 – 0,061 | 0,005 | 0,015 |
| ±0,003 | |||||
| 0,103 | 0,081 – 0,083 | 21 | 0,083 – 0,087 | 0,01 | 0,015 |
| ±0,003 | |||||
| 0,139 | 0,111 – 0,113 | 20 | 0,113 – 0,117 | 0,01 | 0,031 |
| ±0,004 | |||||
| 0,21 | 0,171 – 0,173 | 18 | 0,171 – 0,175 | 0,015 | 0,031 |
| ±0,005 | |||||
| 0,275 | 0,231 – 0,234 | 16 | 0,231 – 0,235 | 0,015 | 0,062 |
| ±0,006 | |||||
| 0,375 | 0,315 – 0,319 | 16 | 0,315 – 0,319 | 0,02 | 0,093 |
| ±0,007 |
Meia ranhura em cauda de andorinha
A ranhura em meia cauda de andorinha é uma ranhura especial com apenas uma parede lateral inclinada. Representa um compromisso entre as vantagens de design da ranhura de vedação do flange e a capacidade de retenção da ranhura em cauda de andorinha. Oferece, portanto, as vantagens de ambas, mas de forma equilibrada. Por exemplo, em aplicações onde opera no vácuo, o O-ring é puxado para um lado da caixa de empanque. Neste caso, o lado plano da ranhura em meia cauda de andorinha é perfeito para segurar o O-ring enquanto o lado inclinado o segura na ranhura.
Como antes, abaixo você encontrará a tabela com as dimensões recomendadas.
| Anel de vedação CS | Profundidade da ranhura (L) | Espremer (%) | Largura da ranhura (G) | Raio do suporte (R) | Raio da ranhura (R₁) |
| 0,07 | 0,053 – 0,055 | 23 | 0,064 – 0,066 | 0,005 | 0,015 |
| ±0,003 | |||||
| 0,103 | 0,083 – 0,085 | 19 | 0,095 – 0,097 | 0,01 | 0,015 |
| ±0,003 | |||||
| 0,139 | 0,113 – 0,115 | 18 | 0,124 – 0,128 | 0,01 | 0,031 |
| ±0,004 | |||||
| 0,21 | 0,173 – 0,176 | 17 | 0,190 – 0,193 | 0,015 | 0,031 |
| ±0,005 | |||||
| 0,275 | 0,234 – 0,238 | 15 | 0,255 – 0,257 | 0,015 | 0,062 |
| ±0,006 | |||||
| 0,375 | 0,319 – 0,323 | 14 | 0,350 – 0,358 | 0,02 | 0,093 |
| ±0,007 |
Sulco de esmagamento triangular
Este projeto tem uma seção transversal triangular com a ranhura usinada em uma das contrapartes. Ele permite um processo de canal simples e econômico com desempenho de vedação suficiente. O selo é estático e também não reutilizável. A compressão extrema e irregular pode fazer com que o O-ring fique permanentemente deformado. As dimensões recomendadas da ranhura do anel O pelos projetistas são mostradas abaixo para vários tamanhos de seção transversal do anel O.
| Seção transversal (W) | ± | Profundidade da ranhura (L) | ± (-0) |
| 0,070″ | ± 0,003″ | 0,092″ | +0,003″ |
| 0,103″ | ± 0,003″ | 0,136″ | +0,005″ |
| 0,139″ | ± 0,004″ | 0,184″ | +0,007″ |
| 0,210″ | ± 0,005″ | 0,277″ | +0,010″ |
| 0,275″ | ± 0,006″ | 0,363″ | +0,015″ |
| 1,50mm | ±0,08 mm | 1,98 mm | +0,08 mm |
| 2,00mm | ±0,08mm | 2,64 mm | +0,08 mm |
| 2,50 mm | ±0,08 mm | 3,30 mm | +0,13 mm |
| 3,00mm | ±0,10 mm | 3,96 mm | +0,13mm |
| 4,00mm | ±0,13 mm | 5,28 mm | +0,18mm |
Considerações de projeto do diâmetro interno/externo da ranhura do anel de vedação
O diâmetro interno (ID) e o diâmetro externo (OD) são dimensões importantes da ranhura do anel de vedação porque determinam a natureza da interação entre o anel de vedação e as superfícies de contato. Além disso, eles também são úteis para controlar as forças de compressão e fricção experimentadas pelo O-ring.
Os especialistas recomendam escolher o diâmetro interno 1 a 5% menor que o diâmetro externo da ranhura do O-ring (caixa de empanque do O-ring). Isto permite a ligeira expansão do O-ring durante a instalação que mencionamos no início.
O diâmetro externo deve ser idealmente um pouco maior que a profundidade da caixa de empanque. Isso permite que a compressão adequada do anel de vedação seja alcançada após a instalação. O objetivo é cerca de 1% a 3% de compressão.
Considerações sobre o projeto da profundidade e largura da ranhura do anel de vedação/caixa de empanque
A largura e a profundidade da ranhura do anel de vedação (caixa de vedação do anel de vedação) são dimensões críticas para o desempenho do anel de vedação, pois determinam seu volume vazio e formato geral.
A profundidade deve ser menor que o diâmetro do O-ring pela folga recomendada pelo fabricante. Isto é necessário porque uma profundidade rasa pode comprimir excessivamente o rolamento, enquanto uma profundidade maior pode causar problemas de extrusão. Extrusão refere-se ao evento em que a folga é tão grande que uma parte significativa do anel de vedação é sugada para dentro dela, causando tensão indesejada e danificando o anel de vedação.
A largura da folga também é importante para as dimensões da ranhura do O-ring. Uma ranhura particularmente larga aumenta os custos e pode acumular fluido, o que pode causar pressão adicional na superfície de vedação. Uma largura pequena tem o mesmo efeito que uma altura pequena: sobrecompressão.
Além disso, tanto a largura quanto a profundidade da ranhura do anel em O determinam o preenchimento geral do alojamento do conjunto do anel em O. O enchimento é a proporção da seção transversal da ranhura que o O-ring ocupa após a montagem. As dimensões da ranhura do O-ring devem ser determinadas de forma que o enchimento seja de no máximo 85%.
Área da seção transversal do anel de vedação
A área da seção transversal dos O-rings depende de sua largura (diâmetro de sua seção transversal). Os anéis de vedação com seção transversal menor são geralmente mais baratos de produzir e mais leves, mas são mais propensos a ter um conjunto de alta compressão. Isso significa que eles se deformam mais na ranhura.
Embora uma seção transversal maior seja mais volumosa, ela apresenta menor deformação por compressão e é mais robusta. Entretanto, o atrito superficial é alto devido a uma maior área de contato com as paredes da ranhura.
Conjunto de compressão de anel de vedação (aperto)
O conjunto de compressão (esmagamento) é uma consideração crítica do projeto no projeto da ranhura do O-ring. Geometricamente, esta é a diferença entre a largura da seção transversal do O-ring e a altura da caixa de empanque. Em outras palavras, é o comprimento que o conjunto comprime o O-ring.
Se a ranhura do O-ring for muito grande, existe o risco de compressão excessiva do O-ring, o que pode resultar em deformação permanente ou até mesmo em vedação inadequada. Por outro lado, uma compressão mais baixa também pode ser problemática, pois pode não produzir tração superficial suficiente para garantir a vedação.
Materiais de ranhura para anel de vedação
A seleção do material no projeto do O-ring é outra decisão importante. Como os O-rings dependem em grande parte da sua flexibilidade, o catálogo de opções de materiais possíveis é limitado aos elastômeros. No entanto, existem muitos elastômeros para escolher e os projetistas devem ter conhecimento sobre eles para tomar decisões informadas.
Borracha nitrílica
A borracha nitrílica é o material mais comumente usado para anéis de vedação. Está disponível em diferentes qualidades que diferem na composição da acrilonitrila. É muito resistente à abrasão, possui alta resistência mecânica e boa resistência à permeabilidade a gases e compostos como óleos minerais e gorduras.
Além disso, é adequado para uma ampla faixa de temperatura de até 130°C.
Borracha de silicone
O silicone é outro material popular para fazer anéis de vedação. É resistente a diversos ambientes nocivos, como ozônio, radiação UV, óleos e ar quente. Além disso, é muito resistente à temperatura e mantém suas propriedades mecânicas, incluindo flexibilidade, até 230°C.
No entanto, as desvantagens incluem baixa resistência e resistência ao desgaste. Portanto, é adequado apenas para aplicações de vedação estática.
poliuretano termoplástico
O poliuretano é ideal para condições extremas de trabalho, como vedação de alta pressão. É caracterizado por alta tenacidade, resistência à abrasão e estabilidade térmica.
A desvantagem é que pode perder suas propriedades em ambientes com ácidos, hidrocarbonetos clorados e umidade.
Fluorelastômero
Os fluoroelastômeros são uma boa escolha para anéis de vedação devido à sua inatividade química contra a maioria dos compostos potencialmente prejudiciais. Além disso, os fluorelastômeros possuem uma superfície lisa com propriedades autolubrificantes, tornando-os perfeitos para aplicações onde um sistema de lubrificação é difícil de configurar.
No entanto, eles tendem a se arrastar mecanicamente com o tempo.
Outros materiais para anéis de vedação
Devido à extensão deste artigo, é impossível cobrir toda a gama de materiais de anéis de vedação. Portanto, abaixo está uma lista abrangente de outros materiais importantes:
- Clorpreno
- Etileno-propileno
- Perfluoroelastômero
- Borracha de poliacrilato
- Borracha nitrílica hidrogenada
- PTFE (Teflon)
- OLHADINHA
Vantagens da ranhura do O-ring
A ranhura do O-ring (caixa de vedação do O-ring) oferece inúmeras vantagens em relação a outros métodos de vedação. Abaixo discutiremos brevemente essas vantagens.
Vedação confiável
Os O-rings são, sem dúvida, vedações extremamente confiáveis. Com tantos tipos e materiais de ranhuras para anéis de vedação, os projetistas podem escolher a melhor combinação para suas aplicações de vedação. Os O-rings raramente falham, têm uma longa vida útil e podem ser usados em condições adversas, o que é suficiente para classificá-los entre as soluções de vedação de alta qualidade.
Instalação compacta
A geometria compacta do design da ranhura do O-ring se destaca entre as soluções de vedação convencionais. As vedações requerem uma grande área de superfície e as vedações de labirinto requerem hardware e espaço adicionais, mas os O-rings ocupam um espaço mínimo em uma montagem e são fáceis de instalar.
Luz
Uma grande vantagem dos O-rings é a sua baixa massa. São pequenos anéis de borracha que acrescentam pouco peso ao conjunto, mas ainda assim garantem uma boa vedação.
Variedade de designs e materiais
A enorme variedade de materiais e a versatilidade do design da ranhura do O-ring já foram discutidas acima, mas gostaríamos de enfatizar este ponto novamente como outra grande vantagem. Essa variedade normalmente não está disponível para designers e é um luxo ter múltiplas opções de escolha para uma aplicação tão importante.
Bônus: como calcular as dimensões de um encaixe de anel de vedação
Nas seções anteriores, as dimensões da ranhura do O-ring (caixa de empanque do O-ring) foram explicadas em detalhes. Nesta seção entraremos em detalhes sobre esses pontos e forneceremos algumas dicas sobre como calcular as dimensões mais importantes da ranhura do O-ring, ou seja, a altura e a largura da caixa de gaxeta.
Altura da ranhura do anel de vedação
Os parâmetros mais importantes que determinam a altura da caixa de empanque do anel de vedação são a taxa de compressão desejada e a largura da seção transversal do anel de vedação. Como esses dois parâmetros estão relacionados entre si, a fórmula é derivada de seu relacionamento comum.
Altura da caixa de empanque = largura da seção transversal – (taxa de compressão – largura da seção transversal)
A terceira entrada é a taxa de compressão, que é uma decisão de projeto. Idealmente, os engenheiros tentam projetar um conjunto com uma taxa de compressão de aproximadamente 20%.
Largura do encaixe do O-ring
Os parâmetros mais importantes que afetam a largura da caixa de vedação do O-ring são a área da seção transversal do O-ring e o volume de enchimento desejado. Sugerimos em uma seção anterior que o preenchimento do O-ring deve estar abaixo de 85%. Com isto em mente, os engenheiros normalmente buscam um valor entre 50% e 85%, dependendo da aplicação, seleção do material, condições de temperatura, etc.
A fórmula generalizada para a largura de uma caixa de empanque de anel de vedação:
Observe que esta não é a fórmula direta para a largura da caixa de empanque do anel de vedação, mas sim um guia geral para os projetistas se familiarizarem com a geometria básica do projeto da ranhura do anel de vedação. Na realidade, existem numerosos fatores de correção para variáveis como a expansão térmica que refinam os cálculos.
Concluindo
Os O-rings têm, sem dúvida, um valor fundamental em elementos de máquinas e são a solução de vedação preferida para a maioria das aplicações técnicas. Este artigo abordou a ranhura do anel de vedação (caixa de empanque do anel de vedação) de forma abrangente, desde sua finalidade até o design e os materiais. Para complementar isso, também compartilhamos algumas dicas e fórmulas básicas de design.
Perguntas frequentes
Como escolho um tamanho de anel de vedação?
O tamanho do O-ring é determinado com base nas dimensões dos componentes a serem vedados. O diâmetro interno precisa ser ligeiramente menor que o diâmetro do eixo para conseguir algum estiramento, enquanto o diâmetro externo deve ser aproximadamente igual ao diâmetro externo do O-ring.
O que causa uma falha no O-ring?
Existem inúmeras razões pelas quais os O-rings podem falhar. Danos físicos na forma de sobrecompressão, extrusões e desgaste geral podem levar à falha. Além disso, se o material do O-ring for exposto a produtos químicos com os quais é incompatível, ele poderá quebrar e falhar devido a reações químicas.
Como instalo anéis de vedação?
O O-ring pode ser empurrado com cuidado e sem esforço em sua ranhura durante a instalação. Se estiver muito apertado, pode ser necessária alguma lubrificação. Também é aconselhável evitar arestas/cantos afiados e ter cuidado ao deslizar o O-ring sobre seções roscadas.
