Princípio de Vedação do O-ring
Um O-ring, também conhecido como anel O, é um anel de borracha com uma seção transversal circular. É a vedação mais amplamente utilizada em sistemas hidráulicos e pneumáticos. Os O-rings oferecem excelentes propriedades de vedação e podem ser usados para vedações estáticas e alternativas. Eles podem ser usados independentemente e são um componente fundamental de muitos sistemas de vedação modular. Eles têm uma ampla gama de aplicações. Se o material for selecionado corretamente, eles podem atender aos requisitos de várias condições de operação. As pressões de operação variam de um vácuo de 1,333 × 10⁵Pa a uma alta pressão de 400 MPa, e as temperaturas se estendem de -60°C a 200°C.
Comparados a outros tipos de vedações, os O-rings apresentam as seguintes vantagens:
1) Tamanho pequeno e fácil montagem e desmontagem.
2) Pode ser usado para vedação estática e dinâmica, com praticamente nenhum vazamento quando usado como vedação estática.
3) Um único O-ring fornece vedação bidirecional.
4) Baixa fricção dinâmica.
O O-ring é um tipo de vedação por extrusão. Seu princípio básico de funcionamento baseia-se na deformação elástica do elemento de vedação, criando pressão de contato na superfície de vedação. Se a pressão de contato exceder a pressão interna do meio vedado, ocorrerá vazamento; caso contrário, ocorrerá vazamento. As causas e os métodos de cálculo da pressão de contato na superfície de vedação diferem para vedações estáticas e dinâmicas e exigem explicações separadas.
1. Princípio de Vedação para Vedações Estáticas
Os O-rings são os mais amplamente utilizados em vedações estáticas. Se projetados e usados corretamente, os O-rings podem alcançar uma vedação absoluta e sem vazamentos.
Depois que um O-ring é instalado em um sulco de vedação, sua seção transversal passa por tensão de compressão de contato, causando deformação elástica. Isso gera uma certa pressão de contato inicial Po na superfície de contato. Mesmo sem ou com pressão muito baixa, o O-ring mantém uma vedação devido à sua própria força elástica. Quando o meio pressurizado entra na câmara, o O-ring se desloca para o lado de menor pressão sob a influência da pressão do meio, aumentando ainda mais sua deformação elástica para preencher e fechar a folga δ. Neste ponto, a pressão de contato nas superfícies de contato do par de vedação aumenta para Pm:
Pm=Po+Pp
Onde Pp é a pressão de contato transmitida para a superfície de contato através do O-ring (0,1 MPa).
Pp=K·P
K é o coeficiente de transmissão de pressão, com K=1 para O-rings de borracha;
P é a pressão do fluido vedado (0,1 MPa).
Isso aumenta muito o efeito de vedação. Como K é geralmente ≥ 1, Pm>P. Portanto, desde que haja pressão inicial no O-ring, ele pode alcançar uma vedação absoluta e sem vazamentos. Essa propriedade do O-ring, que se baseia na pressão do próprio meio para alterar o estado de contato do O-ring e obter uma vedação, é chamada de autovedação.
Teoricamente, mesmo que a deformação por compressão seja zero, ainda pode vedar sob pressão de óleo. No entanto, na prática, os O-rings podem ser excêntricos durante a instalação. Portanto, depois que o O-ring é instalado no sulco de vedação, sua seção transversal geralmente experimenta uma deformação por compressão de 7% a 30%. Uma taxa de compressão mais alta é usada para vedações estáticas, enquanto uma taxa de compressão mais baixa é usada para vedações dinâmicas. Isso ocorre porque a borracha sintética se comprime em baixas temperaturas, portanto, a pré-compressão dos O-rings estáticos deve levar em consideração sua contração em baixas temperaturas.
2. Princípios de Vedação para Vedações de Movimento Alternativo
As vedações de movimento alternativo são um requisito de vedação comum em componentes e sistemas hidráulicos e pneumáticos. As vedações de movimento alternativo são usadas em pistões de cilindros de força e corpos de cilindros, interposição de pistão a cilindro e cabeças de cilindro, e vários tipos de válvulas deslizantes. Uma folga é formada entre uma haste cilíndrica e um furo cilíndrico, dentro do qual a haste se move axialmente. A vedação restringe o vazamento axial do fluido. Quando usado como uma vedação de movimento alternativo, as propriedades de pré-vedação e autovedação do O-ring são semelhantes às das vedações estáticas. Além disso, devido à sua elasticidade inerente, o O-ring pode compensar automaticamente o desgaste. No entanto, ao vedar meios líquidos, a situação é mais complexa do que com vedações estáticas devido à influência da velocidade da haste, pressão do líquido e viscosidade.
Quando os líquidos estão sob pressão, as moléculas do líquido interagem com a superfície metálica. As moléculas polares no óleo se alinham de forma firme e uniforme na superfície metálica, formando uma forte película de limite entre a superfície deslizante e a vedação, que exerce forte adesão à superfície deslizante. Essa película líquida sempre existe entre a vedação e a superfície de movimento alternativo, proporcionando um certo grau de vedação e crucial para lubrificar a superfície de vedação em movimento. No entanto, é prejudicial ao vazamento. Quando a haste de movimento alternativo é puxada para fora, a película líquida na haste é puxada junto com ela. Devido à ação de "limpeza" da vedação, quando a haste de movimento alternativo retrai, essa película líquida é retida do lado de fora pelo elemento de vedação. À medida que o número de cursos de movimento alternativo aumenta, mais líquido é retido do lado de fora, formando eventualmente gotículas de óleo, que representam vazamento em vedações de movimento alternativo. Como a viscosidade do óleo hidráulico diminui com o aumento da temperatura, a espessura da película de óleo diminui de acordo. Portanto, quando o equipamento hidráulico é iniciado em baixas temperaturas, o vazamento é maior no início do movimento. À medida que a temperatura aumenta devido a várias perdas durante o movimento, o vazamento tende a diminuir gradualmente.
Os O-rings, como vedações alternativas, são compactos e pequenos em tamanho e são usados principalmente em:
1) Componentes hidráulicos de baixa pressão, geralmente limitados a cursos curtos e pressões médias em torno de 10 MPa.
2) Válvulas de gaveta hidráulicas de pequeno diâmetro, curso curto e pressão média.
3) Válvulas de gaveta e cilindros pneumáticos.
4) Como elastômeros em vedações alternativas combinadas.
Os O-rings são mais adequados como vedações alternativas para diâmetros pequenos, cursos curtos e pressões baixas a médias, como em componentes alternativos, como cilindros pneumáticos e válvulas de gaveta. Em componentes hidráulicos, o uso de O-rings como vedações dinâmicas primárias é geralmente limitado a cursos curtos e pressões médias a baixas em torno de 10 MPa. Os O-rings não são adequados para vedações alternativas de velocidade muito baixa ou como a única vedação para aplicações alternativas de alta pressão. Isso se deve principalmente à alta fricção nessas condições, o que pode levar à falha prematura da vedação. Em qualquer aplicação, a vedação deve ser usada de acordo com seus dados ou capacidade nominais e montada corretamente para obter um desempenho satisfatório.
3. Vedações Rotativas
Vedações de óleo e vedações mecânicas são comumente usadas para vedações rotativas. No entanto, as vedações de óleo operam em pressões mais baixas e são maiores, mais complexas e menos fabricáveis do que os O-rings. Embora as vedações mecânicas possam operar em altas pressões (40 MPa), altas velocidades (50 m/s) e altas temperaturas (400°C), sua estrutura mais complexa e volumosa e alto custo as tornam adequadas apenas para máquinas pesadas nas indústrias de petróleo e química.
O principal problema com os O-rings para aplicações rotativas é o aquecimento Joule. Esse calor de atrito gerado no ponto de contato entre o eixo rotativo de alta velocidade e o O-ring faz com que a temperatura desses pontos de contato aumente continuamente, deformando severamente o material de borracha e causando alterações na compressão e alongamento. Esse calor também acelera o envelhecimento do material de vedação, reduzindo a vida útil do O-ring. Ele também destrói a película de óleo de vedação, causando ruptura do óleo e acelerando o desgaste da vedação.
Com base na situação acima, pesquisas extensivas e aprofundadas foram conduzidas tanto nacional quanto internacionalmente em O-rings para movimento rotativo nos últimos anos. Para evitar o aquecimento Joule, a chave está em selecionar corretamente os parâmetros estruturais do O-ring com base nas propriedades da borracha, principalmente o alongamento e a taxa de compressão do O-ring. Estudos experimentais mostraram que os O-rings para movimento rotativo devem ser projetados com um diâmetro interno igual ou ligeiramente maior que o diâmetro do eixo rotativo, normalmente 3% a 5% maior. Durante a instalação, o O-ring é comprimido de dentro para fora e a compressão da seção transversal é projetada para ser mínima, normalmente em torno de 5%. Além disso, materiais de vedação com impacto térmico mínimo são usados sempre que possível, e consideração adequada é dada à dissipação de calor no local de instalação do O-ring. Isso melhora significativamente o desempenho dos O-rings, permitindo sua aplicação na vedação de eixos rotativos com velocidades de até 4 m/s.
Recentemente, borracha fluorada resistente ao calor e borracha de poliuretano resistente ao desgaste surgiram e, com uma compreensão mais profunda do efeito Joule no aquecimento em componentes de borracha, soluções foram desenvolvidas para resolver esse problema, levando ao projeto de novas estruturas de vedação de O-ring que se adequam melhor ao movimento rotativo de alta velocidade e alta pressão.
Os O-rings são amplamente utilizados em dispositivos de vedação de movimento rotativo devido ao seu tamanho pequeno, estrutura simples, baixo custo, bom desempenho do processo e ampla gama de aplicações.