Design e desenvolvimento de vedações de óleo

O projeto de estruturas de vedações de óleo é baseado principalmente nas condições de operação, condições de montagem e condições ambientais. Fatores como desempenho de vedação, vida útil, materiais, processo de fabricação e eficiência econômica devem ser considerados. Ao projetar uma vedação de óleo, a primeira etapa é selecionar o material de vedação apropriado. A fórmula do composto de borracha utilizada deve fornecer uma combinação razoável de propriedades que atendam aos requisitos de resistência ao calor, resistência ao óleo, resistência ao desgaste e bom desempenho do processo.

Parâmetros de uso e parâmetros de projeto da vedação de óleo
 

No projeto estrutural, os parâmetros utilizados e os parâmetros de projeto devem ser compatíveis. A relação entre os parâmetros de projeto e os parâmetros utilizados pode ser ilustrada na Tabela 1.

Ao projetar a estrutura da vedação de óleo, os parâmetros estruturais mostrados na figura abaixo devem ser considerados.

(1) Interferência do Lábio (d-d1)

Se a interferência for grande, o lábio se estenderá excessivamente, causando envelhecimento e desgaste, encurtando a vida útil. Se a interferência for pequena, o desempenho de vedação será ruim. Como a interferência está relacionada à força radial de todo o lábio, ela deve ser considerada de forma abrangente. Os valores de interferência mostrados na Tabela 2 são apenas para referência.

Tabela 2 Interferência de diferentes diâmetros de eixo

(2) Valor da posição da mola "R"

Este valor é uma largura de contato teórica no projeto. Um valor "R" maior aumenta a largura de contato e o atrito. Um valor "R" menor não é propício para a vedação. Os valores "R" para as posições da mola na Tabela 3 são apenas para referência.

(3) Comprimento da cintura

A força radial fornecida pelo comprimento da cintura é de cerca de 50% da força radial do lábio da vedação de óleo. É importante manter uma baixa força radial. Uma maneira de conseguir isso é estender o comprimento da cintura da vedação de óleo. No entanto, o diâmetro externo da vedação de óleo é geralmente padronizado. Mesmo o espaço de montagem não padronizado também limita essa largura. Portanto, o comprimento reto da cintura é limitado. Esse problema pode ser resolvido derivando uma seção curva da parte reta da cintura.

(4) Espessura da seção da cintura

Experimentos mostraram que, mesmo sob baixa pressão, a deformação mostrada na Figura (A) pode ocorrer facilmente. Simplesmente engrossar a cintura é prejudicial à capacidade do lábio de acompanhar a excentricidade. Uma cintura mais espessa enfraquece a ação da mola, resultando em uma capacidade de acompanhamento da excentricidade menos eficaz do que uma cintura mais fina. Para resolver o conflito entre a deformação da cintura e a capacidade de acompanhamento, recomenda-se que a cintura seja remodelada conforme mostrado na Figura (B). Isso aumenta a rigidez da cintura sem comprometer a capacidade de acompanhamento da excentricidade.

(5) Comprimento da parte superior da cabeça

Alguns diagramas de seção transversal de vedações de óleo projetam o comprimento da parte superior da cabeça (t) para ser igual ao raio da ranhura da mola (r). No entanto, durante o uso, a mola geralmente cai. Para evitar que a mola caia, o projeto deve garantir que t seja maior que r, satisfazendo pelo menos a seguinte relação: t = 4/3 r.

(6) Forma da ranhura da mola

Muitas vedações de óleo cometeram um erro no projeto da ranhura da mola, projetando o raio da ranhura da mola (R) e o raio do círculo da mola (r) para valores diferentes. A verificação experimental descobriu que alguns lábios de vedação de óleo têm duas zonas de contato. Portanto, quando R=r, o estado de distribuição de tensão do lábio é o melhor, com apenas uma zona de contato. No entanto, devido ao processamento do molde, encolhimento da borracha, etc., muitas vezes é difícil tornar os dois absolutamente iguais na fabricação. A única maneira de manter uma pequena diferença entre os dois é manter uma pequena diferença entre os dois.

(7) Projeto da estrutura metálica

A principal função da estrutura metálica é fortalecer a rigidez estrutural da vedação de óleo. Sua espessura e método de configuração dependem das condições de trabalho e das condições de montagem da vedação de óleo.

(8) Bobina da Mola

Existem dois tipos de molas usadas em vedações de óleo: molas de liga e molas de lâmina. As molas de liga são as mais comumente usadas das duas. Para cálculos do diâmetro da mola, comprimento estendido e número de bobinas de fio, consulte os padrões relevantes e manuais de projeto mecânico.

(9) Força Radial

A força radial é um parâmetro extremamente importante. Seu efeito no desempenho das vedações de óleo é resumido da seguinte forma:

1. Se a força radial for muito pequena, o desempenho de vedação será ruim; 2. Se a força radial for muito grande, ocorrerá desgaste e a vida útil será encurtada; 3. A força radial afeta diretamente o atrito e a temperatura da área de contato. Quando a força radial é muito grande, o atrito gera muito calor e acelera o envelhecimento do lábio; 4. O desgaste do eixo também é afetado pela força radial; 5. Quando o eixo e a carcaça são excêntricos, a força radial apropriada deve ser aplicada para garantir que o lábio tenha capacidade de rastreamento apropriada; 6. A força radial limita a pressão de operação do meio. Se a pressão do meio for muito alta, o aumento adicional da força radial encurtará a vida útil da vedação de óleo.

Material da vedação de óleo

Atualmente, as vedações de óleo são fabricadas principalmente a partir de borracha sintética. Como sua seleção e projeto estrutural são fatores-chave que influenciam o desempenho de vedação e a vida útil das vedações de óleo, é crucial entender com precisão as propriedades da borracha e selecionar o material apropriado. O material de borracha mais adequado para vedações de óleo deve ser determinado com base nos parâmetros relevantes da vedação de óleo: a força radial no eixo deve ser alta o suficiente para evitar vazamentos, mas baixa o suficiente para manter uma certa espessura de filme de óleo para manter o calor de atrito baixo. A vedação deve ter um ajuste de interferência suficiente para superar os efeitos da excentricidade durante a operação. A área do lábio na zona de contato também é um fator determinante.

O material da vedação de óleo influencia diretamente esses três parâmetros. À medida que o material muda com o tempo e a temperatura, os principais parâmetros também mudam de acordo. Por exemplo, à medida que a temperatura aumenta, o módulo do material diminui, causando alterações na força radial. A expansão térmica, o inchaço do material causado pelo meio de vedação e a dureza do composto de borracha afetam a força radial e o ajuste de interferência.

Por essas razões, as seguintes propriedades devem ser consideradas ao selecionar materiais de vedação de óleo: compatibilidade com o meio de vedação, resistência ao inchaço ou endurecimento devido ao meio; boa resistência ao calor e ao desgaste; e elasticidade moderada para acomodar variações na rugosidade do eixo e excentricidade.

Devido à constante evolução das formulações de materiais de borracha, com novos materiais surgindo e os materiais existentes sendo constantemente aprimorados, o seguinte é uma breve descrição dos materiais mais comumente usados para vedações de óleo: borracha nitrílica (NBR), borracha de poliacrilato (PAR), borracha de silicone, borracha fluorada (FKM) e politetrafluoroetileno (PTFE).

Borracha Nitrílica

O NBR pode ser usado em maiores quantidades do que todos os outros elastômeros combinados na fabricação de vedações. O NBR é um copolímero de butadieno e propileno, com teor de propileno variando de 18% a 40%. É categorizado como baixo, médio e alto teor de propileno. Embora a resistência ao óleo do NBR aumente com o teor de propileno, sua flexibilidade em baixas temperaturas diminui. Para obter um bom desempenho em baixas temperaturas, alguma resistência a combustíveis e óleos de alta temperatura é frequentemente sacrificada. A borracha nitrílica possui excelentes propriedades físicas, com melhor escoamento a frio, resistência ao rasgo e à abrasão do que a maioria das outras borrachas. No entanto, não é resistente ao ozônio, intempéries e luz solar, embora essas propriedades possam ser aprimoradas por meio do projeto da formulação. A borracha nitrílica é adequada para uso com óleos à base de petróleo, óleos combustíveis, água, óleos de silicone e ésteres de silicone e misturas de etilenoglicol. No entanto, não é adequado para contato com óleos EP, hidrocarbonetos halogenados, nitrocarbonos, fluidos de éster fosfórico, cetonas, ácidos fortes e certos fluidos de freio automotivos.

Borracha de Poliacrilato

A borracha de poliacrilato (ACM) é uma co-suspensão de emulsão de acrilatos de alquila com outros monômeros insaturados. Os acrilatos de alquila comumente usados são acrilato de etileno etílico e acrilato de butila. O desempenho da borracha de poliacrilato está entre o da borracha nitrílica e da borracha fluorada. Como sua cadeia principal não contém ligações duplas, ela apresenta alta resistência ao calor, ozônio e intempéries. A presença de grupos funcionais cloro (Cl) ou (CM) em suas cadeias laterais aumenta ainda mais sua resistência ao óleo, permitindo o uso em óleos quentes em temperaturas entre 170°C e 180°C. Uma característica fundamental desta borracha é sua excelente resistência a óleo mineral, óleo hiperbólico e manteiga a 178°C. Também apresenta excelente resistência ao envelhecimento e rachaduras por flexão, tornando-a adequada para vedações de óleo. Suas principais desvantagens incluem processamento deficiente, aderência aos rolos durante a mistura, desempenho limitado em baixas temperaturas, má resistência à água e vapor, má resistência a etilenoglicol e óleos altamente aromáticos, alta deformação por compressão e corrosão significativa a moldes e eixos de metal. Sua elasticidade, resistência ao desgaste e propriedades de isolamento elétrico também são relativamente ruins. Além disso, devido ao seu alto grau de saturação, possui uma taxa de vulcanização lenta. Embora sua resistência ao desgaste possa ser significativamente aprimorada com a formulação adequada, ainda fica aquém da borracha nitrílica.

Borracha de Silicone

A borracha de silicone mantém suas propriedades mecânicas em uma ampla faixa de temperatura, permanecendo flexível a -65°C e capaz de operação prolongada a 230°C. Embora suas propriedades mecânicas possam ser aprimoradas por meio de compostos especiais, sua resistência, resistência ao rasgo e resistência à abrasão são geralmente relativamente ruins. Sua resistência a álcalis, ácidos fracos e ozônio é geralmente boa, mas sua resistência ao óleo é moderada. As propriedades químicas podem ser aprimoradas com agentes de composição, como os para melhorar a resistência ao óleo e ao combustível. No entanto, a borracha de silicone geralmente não é adequada para uso em hidrocarbonetos como gasolina, parafina e óleo mineral leve, pois esses meios farão com que ela inche e amoleça. A principal vantagem da borracha de silicone é sua capacidade de manter a elasticidade em temperaturas muito baixas. Além disso, pode suportar altas temperaturas por períodos prolongados sem endurecer, tornando-a adequada para uma gama mais ampla de vedações de alta e baixa temperatura do que outras borrachas. Para vedações rotativas, sua temperatura de operação é maior do que a da borracha padrão. No entanto, a borracha de silicone é mais cara do que a maioria das outras borrachas.

A borracha de fluorosilicone é uma borracha mais cara. Seu desempenho é essencialmente o mesmo da borracha de silicone, mas sua faixa de aplicação é mais estreita. Sua principal vantagem é sua resistência ao óleo, que é comparável ou próxima à da borracha nitrílica. Isso permite que seja usado fora dos limites de temperatura de operação da borracha nitrílica, ao mesmo tempo em que oferece a resistência ao óleo que a borracha de silicone não possui.

Borracha Fluorada

A borracha fluorada é um polímero saturado contendo átomos de flúor em átomos de carbono nas cadeias principais ou laterais. Possui propriedades únicas e excelentes. É caracterizada pela resistência a altas temperaturas, óleos, corrosão severa, solventes, intempéries, ozônio, baixa permeabilidade a gases e excelentes propriedades físicas. Pode operar continuamente em temperaturas entre 200°C e 250°C. No entanto, suas desvantagens são o baixo desempenho em baixas temperaturas e a alta deformação por compressão. Pesquisas consideráveis foram conduzidas tanto nacional quanto internacionalmente para melhorar a deformação por compressão da borracha fluorada.

Politetrafluoroetileno

Os plásticos são geralmente semirrígidos e geralmente não são usados como vedações. O politetrafluoroetileno (PTFE) é uma exceção. É um composto fluorocarbono com propriedades únicas, principalmente sua resistência ao ataque químico em uma ampla faixa de temperatura de operação. Apresenta um baixo coeficiente de atrito contra metais, mas sem reforço de enchimento, sua resistência mecânica é baixa. O PTFE é particularmente útil em vedações feitas de estruturas compostas. Por exemplo, PTFE usinado ou moldado pode ser usado como superfície de baixo atrito e revestimento resistente a produtos químicos.

Propriedades do Material da Vedação de Óleo

Temperatura de Operação dos Materiais da Vedação de Óleo

A temperatura de operação é um fator crucial que afeta a vida útil das vedações de óleo. As temperaturas de operação de vários materiais de vedação de óleo comumente usados são mostradas na Tabela 4.

Tabela 4 Temperaturas de operação dos materiais de vedação de óleo comumente usados

As mudanças de desempenho em baixas temperaturas diferem significativamente daquelas em altas temperaturas. À medida que a temperatura diminui, quase todos os elastômeros endurecem gradualmente devido à perda de flexibilidade, retardando sua recuperação da deformação. A cristalização também ocorre, embora lentamente. Antes que o material atinja a fragilidade, se não houver materiais elastômeros alternativos, a força da mola pode fornecer a resiliência necessária. Em altas temperaturas, todos os elastômeros perdem sua elasticidade e tendem a amolecer. As altas temperaturas também aceleram o envelhecimento do material, tipicamente manifestando-se como perda de elasticidade e um aumento gradual da dureza e do módulo.

Resistência ao desgaste dos materiais de vedação de óleo

A resistência ao desgaste do material é um fator crucial para as vedações de óleo. A resistência ao desgaste da borracha está relacionada à sua dureza e resistência ao rasgo. Geralmente, a resistência ao desgaste melhora com o aumento da dureza; melhor resistência ao rasgo também leva a melhor resistência ao desgaste. Além disso, a resistência ao desgaste de um material também é influenciada por fatores como seu coeficiente de atrito e o brilho da superfície de contato.

Compatibilidade com Meios de Vedação

À medida que o material absorve o meio líquido, seu volume muda. A expansão excessiva pode degradar as propriedades físicas e mecânicas do material, tornando-o inaceitável. A expansão excessiva também pode causar reações químicas, como dissolução, interações entre certos componentes dentro do material ou fragilização da superfície, levando à rachadura. Nesses casos, o meio de vedação e o material são incompatíveis. Em alguns casos, o meio de vedação pode extrair aditivos, como plastificantes e antioxidantes, do composto de borracha, alterando a composição do elastômero e até mesmo causando encolhimento, levando a vazamentos. Para obter informações sobre a compatibilidade dos materiais de vedação de óleo com determinados meios, consulte a Tabela 5.

Tabela 5 Compatibilidade dos materiais de vedação de óleo

Do exposto, pode-se ver que o projeto estrutural da vedação de óleo é muito importante. Mesmo que o material da vedação de óleo seja muito bom, se seu projeto estrutural for irracional, a vedação eficaz não poderá ser alcançada.