مبدأ إحكام حلقات O-ring
حلقة O-ring، والمعروفة أيضًا باسم حلقة O-ring، هي حلقة مطاطية ذات مقطع عرضي دائري. إنها الختم الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الأنظمة الهيدروليكية والهوائية. توفر حلقات O-ring خصائص إحكام ممتازة ويمكن استخدامها لكل من الأختام الثابتة والترددية. يمكن استخدامها بشكل مستقل وهي مكون أساسي للعديد من أنظمة الإحكام المعيارية. لديها مجموعة واسعة من التطبيقات. إذا تم اختيار المادة بشكل صحيح، فيمكنها تلبية متطلبات ظروف التشغيل المختلفة. تتراوح ضغوط التشغيل من فراغ 1.333 × 10⁵ باسكال إلى ضغط مرتفع يبلغ 400 ميجا باسكال، وتمتد درجات الحرارة من -60 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية.
بالمقارنة مع أنواع الأختام الأخرى، تتمتع حلقات O-ring بالمزايا التالية:
1) حجم صغير وسهولة التجميع والتفكيك.
2) يمكن استخدامها للإحكام الثابت والديناميكي، مع عدم وجود تسرب تقريبًا عند استخدامها كختم ثابت.
3) توفر حلقة O-ring واحدة إحكامًا ثنائي الاتجاه.
4) احتكاك ديناميكي منخفض.
حلقة O-ring هي نوع من أختام البثق. يعتمد مبدأ التشغيل الأساسي لها على التشوه المرن لعنصر الختم، مما يؤدي إلى توليد ضغط تلامس على سطح الإحكام. إذا تجاوز ضغط التلامس الضغط الداخلي للوسط المختوم، فسوف يحدث تسرب؛ وإلا، فسوف يحدث تسرب. تختلف أسباب وطرق حساب ضغط التلامس على سطح الإحكام للأختام الثابتة والديناميكية وتتطلب تفسيرات منفصلة.
1. مبدأ الإحكام للأختام الثابتة
تُستخدم حلقات O-ring على نطاق واسع في الأختام الثابتة. إذا تم تصميمها واستخدامها بشكل صحيح، فيمكن لحلقات O-ring تحقيق إحكام مطلق وخالٍ من التسرب.
بعد تثبيت حلقة O-ring في أخدود الإحكام، يخضع مقطعها العرضي لضغط انضغاط التلامس، مما يتسبب في تشوه مرن. يؤدي هذا إلى توليد ضغط تلامس أولي معين Po على سطح التلامس. حتى مع عدم وجود ضغط أو ضغط منخفض جدًا، تحافظ حلقة O-ring على الإحكام بسبب قوتها المرنة. عندما يدخل الوسط المضغوط إلى الحجرة، تتحرك حلقة O-ring نحو جانب الضغط المنخفض تحت تأثير ضغط الوسط، مما يزيد من تشوهها المرن لملء وإغلاق الفجوة δ. في هذه المرحلة، يرتفع ضغط التلامس على الأسطح المتزاوجة لزوج الإحكام إلى Pm:
Pm=Po+Pp
حيث Pp هو ضغط التلامس المنقول إلى سطح التلامس عبر حلقة O-ring (0.1 ميجا باسكال).
Pp=K·P
K هو معامل انتقال الضغط، مع K=1 لحلقات O-ring المطاطية؛
P هو ضغط السائل المختوم (0.1 ميجا باسكال).
هذا يعزز بشكل كبير تأثير الإحكام. نظرًا لأن K أكبر من أو يساوي 1 بشكل عام، فإن Pm>P. لذلك، طالما أن هناك ضغطًا أوليًا على حلقة O-ring، فيمكنها تحقيق إحكام مطلق وخالٍ من التسرب. تسمى هذه الخاصية لحلقة O-ring، والتي تعتمد على ضغط الوسط نفسه لتغيير حالة تلامس حلقة O-ring وتحقيق الإحكام، بالإحكام الذاتي.
من الناحية النظرية، حتى إذا كان تشوه الانضغاط صفرًا، فإنه لا يزال بإمكانه الإحكام تحت ضغط الزيت. ومع ذلك، في الممارسة العملية، قد تكون حلقات O-ring غير مركزية أثناء التثبيت. لذلك، بعد تثبيت حلقة O-ring في أخدود الإحكام، يعاني مقطعها العرضي بشكل عام من تشوه انضغاطي بنسبة 7٪ -30٪. يتم استخدام نسبة انضغاط أعلى للأختام الثابتة، بينما يتم استخدام نسبة انضغاط أقل للأختام الديناميكية. وذلك لأن المطاط الصناعي ينضغط في درجات الحرارة المنخفضة، لذلك يجب أن يمثل الانضغاط المسبق لحلقات O-ring الثابتة انكماشها في درجات الحرارة المنخفضة.
2. مبادئ الإحكام لأختام الحركة الترددية
تعد أختام الحركة الترددية متطلب إحكام شائع في المكونات والأنظمة الهيدروليكية والهوائية. تُستخدم أختام الحركة الترددية في مكابس أسطوانات الطاقة وجسم الأسطوانات، والتبادل بين المكبس والأسطوانة ورؤوس الأسطوانات، وأنواع مختلفة من الصمامات المنزلقة. تتشكل فجوة بين قضيب أسطواني وتجويف أسطواني، يتحرك القضيب داخلها محوريًا. يحد الختم من التسرب المحوري للسائل. عند استخدامه كختم حركة ترددية، فإن خصائص الإحكام المسبق والإحكام الذاتي لحلقة O-ring تشبه تلك الخاصة بالأختام الثابتة. علاوة على ذلك، نظرًا لمرونتها المتأصلة، يمكن لحلقة O-ring أن تعوض تلقائيًا عن التآكل. ومع ذلك، عند إحكام الوسائط السائلة، تكون الحالة أكثر تعقيدًا من الأختام الثابتة بسبب تأثير سرعة القضيب وضغط السائل واللزوجة.
عندما تكون السوائل تحت الضغط، تتفاعل الجزيئات السائلة مع السطح المعدني. تصطف الجزيئات القطبية في الزيت بإحكام وبشكل متساوٍ على السطح المعدني، وتشكل طبقة حدودية قوية بين السطح المنزلق والختم، والتي تمارس التصاقًا قويًا بالسطح المنزلق. توجد طبقة السائل هذه دائمًا بين الختم والسطح الترددي، مما يوفر درجة معينة من الإحكام وضرورية لتزييت سطح الإحكام المتحرك. ومع ذلك، فهو ضار بالتسرب. عندما يتم سحب العمود الترددي إلى الخارج، يتم سحب طبقة السائل الموجودة على العمود معه. نظرًا لعملية "المسح" للختم، عندما يتراجع العمود الترددي، يتم الاحتفاظ بطبقة السائل هذه في الخارج بواسطة عنصر الإحكام. مع زيادة عدد الأشواط الترددية، يتم الاحتفاظ بمزيد من السائل في الخارج، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين قطرات زيت، والتي تمثل تسربًا في الأختام الترددية. نظرًا لأن لزوجة الزيت الهيدروليكي تنخفض مع زيادة درجة الحرارة، فإن سمك الفيلم الزيتي ينخفض وفقًا لذلك. لذلك، عند بدء تشغيل المعدات الهيدروليكية في درجات الحرارة المنخفضة، يكون التسرب أكبر في بداية الحركة. مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب الخسائر المختلفة أثناء الحركة، يميل التسرب إلى الانخفاض تدريجيًا.
تعتبر حلقات O-ring، كأختام ترددية، مضغوطة وصغيرة الحجم، وتستخدم في المقام الأول في:
1) المكونات الهيدروليكية منخفضة الضغط، تقتصر عمومًا على الأشواط القصيرة والضغوط المتوسطة حول 10 ميجا باسكال.
2) صمامات بكرة هيدروليكية صغيرة القطر وقصيرة الشوط ومتوسطة الضغط.
3) صمامات وأسطوانات بكرة هوائية.
4) كمواد لدنة في الأختام الترددية المجمعة.
تعتبر حلقات O-ring هي الأنسب كأختام ترددية للأقطار الصغيرة والأشواط القصيرة والضغوط المنخفضة إلى المتوسطة، كما هو الحال في المكونات الترددية مثل الأسطوانات الهوائية وصمامات البكرة. في المكونات الهيدروليكية، يقتصر استخدام حلقات O-ring كأختام ديناميكية أساسية بشكل عام على الأشواط القصيرة والضغوط المتوسطة إلى المنخفضة حول 10 ميجا باسكال. حلقات O-ring غير مناسبة للأختام الترددية ذات السرعة المنخفضة جدًا أو كختم وحيد لتطبيقات الترددية عالية الضغط. يرجع هذا في المقام الأول إلى الاحتكاك العالي في هذه الظروف، مما قد يؤدي إلى تعطل الختم قبل الأوان. في أي تطبيق، يجب استخدام الختم وفقًا لبياناته أو سعته المقدرة وتجميعه بشكل صحيح لتحقيق أداء مرضي.
3. الأختام الدوارة
تُستخدم أختام الزيت والأختام الميكانيكية بشكل شائع للأختام الدوارة. ومع ذلك، تعمل أختام الزيت بضغوط أقل وهي أكبر وأكثر تعقيدًا وأقل قابلية للتصنيع من حلقات O-ring. في حين أن الأختام الميكانيكية يمكن أن تعمل بضغوط عالية (40 ميجا باسكال) وسرعات عالية (50 م/ث) ودرجات حرارة عالية (400 درجة مئوية)، فإن هيكلها الأكثر تعقيدًا وضخامة وتكلفتها المرتفعة تجعلها مناسبة فقط للآلات الثقيلة في صناعات البترول والكيماويات.
تتمثل المشكلة الأساسية في حلقات O-ring للتطبيقات الدوارة في تسخين جول. تتسبب هذه الحرارة الاحتكاكية المتولدة عند نقطة التلامس بين العمود الدوار عالي السرعة وحلقة O-ring في ارتفاع درجة حرارة نقاط التلامس هذه باستمرار، مما يؤدي إلى تشوه مادة المطاط بشدة والتسبب في تغييرات في الانضغاط والاستطالة. تعمل هذه الحرارة أيضًا على تسريع شيخوخة مادة الإحكام، مما يقلل من عمر خدمة حلقة O-ring. كما أنه يدمر الفيلم الزيتي للإحكام، مما يتسبب في كسر الزيت وتسريع تآكل الختم.
بناءً على الوضع أعلاه، تم إجراء بحث مكثف ومتعمق محليًا ودوليًا على حلقات O-ring للحركة الدورانية في السنوات الأخيرة. لتجنب تسخين جول، يكمن المفتاح في تحديد معلمات هيكلية حلقة O-ring بشكل صحيح بناءً على خصائص المطاط، في المقام الأول استطالة حلقة O-ring ونسبة الانضغاط. أظهرت الدراسات التجريبية أنه يجب تصميم حلقات O-ring للحركة الدورانية بقطر داخلي يساوي أو أكبر قليلاً من قطر العمود الدوار، وعادة ما يكون أكبر بنسبة 3٪ إلى 5٪. أثناء التثبيت، يتم ضغط حلقة O-ring من القطر الداخلي إلى الداخل، ويتم تصميم الانضغاط العرضي ليكون ضئيلاً، وعادة ما يكون حوالي 5٪. علاوة على ذلك، يتم استخدام مواد إحكام ذات تأثير حراري ضئيل كلما أمكن ذلك، ويتم إيلاء الاعتبار المناسب لتبديد الحرارة في موقع تركيب حلقة O-ring. هذا يحسن بشكل كبير أداء حلقات O-ring، مما يتيح تطبيقها في إحكام الأعمدة الدوارة بسرعات تصل إلى 4 م/ث.
في الآونة الأخيرة، ظهر المطاط الفلوري المقاوم للحرارة والمطاط البولي يوريثين المقاوم للتآكل، ومع فهم أعمق لتأثير تسخين جول في مكونات المطاط، تم تطوير حلول لمعالجة هذه المشكلة، مما أدى إلى تصميم هياكل إحكام جديدة لحلقة O-ring تناسب بشكل أفضل الحركة الدورانية عالية السرعة وعالية الضغط.
تُستخدم حلقات O-ring على نطاق واسع في أجهزة الإحكام بالحركة الدورانية نظرًا لصغر حجمها وبنيتها البسيطة وتكلفتها المنخفضة وأدائها الجيد في المعالجة ومجموعة واسعة من التطبيقات.