Vòng chữ O là thiết kế cơ khí phổ biến nhất để làm kín vì giá rẻ, sản xuất đơn giản, chức năng đáng tin cậy và yêu cầu lắp đặt đơn giản. Mặc dù vòng chữ O rẻ nhưng trong một số môi trường cụ thể, việc thay thế thường xuyên sẽ làm tăng chi phí bảo trì máy và ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị. Do đó, cần phải hiểu các đặc tính của vòng chữ O.
Ở độ -50 đến độ -60, vật liệu cao su không chịu được nhiệt độ thấp sẽ mất hoàn toàn ứng suất ban đầu; ngay cả đối với vật liệu cao su chịu nhiệt độ thấp, ứng suất ban đầu tại thời điểm này sẽ không lớn hơn 25% ứng suất ban đầu ở 20 độ. Điều này là do độ nén ban đầu của vòng chữ O phụ thuộc vào hệ số giãn nở tuyến tính.
Thiết kế và sử dụng vòng chữ O không đúng cách sẽ làm tăng tốc độ hư hỏng của nó và làm mất hiệu suất bịt kín của nó.
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng nếu thiết kế của từng bộ phận của thiết bị vòng đệm là hợp lý, thì chỉ cần tăng áp suất sẽ không gây ra hư hỏng cho vòng chữ O. Trong điều kiện làm việc của áp suất cao và nhiệt độ cao, nguyên nhân chính gây ra hư hỏng vòng chữ O là sự biến dạng vĩnh viễn của vật liệu vòng chữ O, vết cắn của khe hở do vòng chữ O bị ép vào khe hở và sự biến dạng của vòng chữ O trong quá trình di chuyển.
Biến dạng vĩnh viễn Do vật liệu cao su tổng hợp được sử dụng cho vòng đệm O-ring là vật liệu nhớt đàn hồi, lượng nén được thiết lập ban đầu và khả năng chặn bật lại sẽ bị biến dạng vĩnh viễn và mất dần sau thời gian dài sử dụng, cuối cùng dẫn đến rò rỉ.
Biến dạng vĩnh viễn và mất lực đàn hồi là những lý do chính khiến vòng chữ O mất hiệu suất bịt kín. Sau đây là những lý do chính cho sự biến dạng vĩnh viễn.
Mối quan hệ giữa tỷ số nén với lượng kéo dài và biến dạng vĩnh viễn
Các công thức khác nhau của cao su được sử dụng để chế tạo vòng chữ O sẽ tạo ra sự giảm ứng suất nén ở trạng thái nén. Lúc này ứng suất nén sẽ giảm dần theo thời gian. Thời gian sử dụng càng lâu, tốc độ nén và kéo dài càng lớn, ứng suất giảm do ứng suất cao su bị giãn càng lớn, do đó vòng chữ O không đủ đàn hồi và mất khả năng bịt kín. Do đó, nên cố gắng giảm tỷ số nén trong điều kiện sử dụng cho phép.
Tăng kích thước mặt cắt ngang của vòng chữ O là cách dễ nhất để giảm tỷ lệ nén, nhưng điều này sẽ làm tăng kích thước cấu trúc. Cần lưu ý rằng khi mọi người tính toán tỷ lệ nén, họ thường bỏ qua việc giảm chiều cao tiết diện do vòng chữ O bị kéo căng trong quá trình lắp ráp. Sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang của vòng chữ O tỷ lệ nghịch với sự thay đổi chu vi của nó. Đồng thời, do ảnh hưởng của lực căng, hình dạng mặt cắt ngang của vòng chữ O cũng sẽ thay đổi, biểu hiện là chiều cao của nó giảm xuống. Ngoài ra, do sức căng bề mặt, bề mặt ngoài của vòng chữ O trở nên phẳng hơn, tức là chiều cao của tiết diện giảm đi một chút. Đây cũng là một biểu hiện của sự thư giãn căng thẳng nén O-ring.
Mức độ biến dạng của phần O-ring cũng phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu O-ring. Trong trường hợp cùng một lượng kéo dài, vòng chữ O có độ cứng cao cũng sẽ giảm chiều cao mặt cắt ngang nhiều hơn. Từ quan điểm này, các vật liệu có độ cứng thấp nên được chọn càng nhiều càng tốt theo các điều kiện sử dụng. Dưới tác động của áp suất và lực căng của chất lỏng, vòng chữ O cao su sẽ dần bị biến dạng dẻo, chiều cao mặt cắt ngang của nó sẽ giảm theo, do đó cuối cùng sẽ mất khả năng bịt kín.
Mối quan hệ giữa nhiệt độ và quá trình giãn O-ring
Nhiệt độ dịch vụ là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến sự biến dạng vĩnh viễn của vòng chữ O. Nhiệt độ cao sẽ đẩy nhanh quá trình lão hóa của vật liệu cao su.
Nhiệt độ hoạt động càng cao, bộ nén của vòng chữ O càng lớn. Khi biến dạng vĩnh viễn lớn hơn 40% , vòng chữ O sẽ mất khả năng bịt kín và bị rò rỉ. Giá trị ứng suất ban đầu hình thành trong vật liệu cao su của vòng chữ O do biến dạng nén sẽ giảm dần và thậm chí biến mất cùng với quá trình thư giãn và giảm nhiệt độ của vòng chữ O. Đối với các vòng chữ O hoạt động ở nhiệt độ dưới 0 độ C, lực nén ban đầu của chúng có thể bị giảm hoặc biến mất hoàn toàn do nhiệt độ giảm mạnh. Ở độ -50 đến độ -60, vật liệu cao su không chịu được nhiệt độ thấp sẽ mất hoàn toàn ứng suất ban đầu; ngay cả đối với vật liệu cao su chịu nhiệt độ thấp, ứng suất ban đầu tại thời điểm này sẽ không lớn hơn 25% ứng suất ban đầu ở 20 độ. Điều này là do độ nén ban đầu của vòng chữ O phụ thuộc vào hệ số giãn nở tuyến tính. Vì vậy khi chọn độ nén ban đầu phải đảm bảo vẫn còn đủ khả năng làm kín sau khi ứng suất giảm do quá trình giãn và giảm nhiệt độ. Đối với các vòng chữ O hoạt động ở nhiệt độ âm, cần đặc biệt chú ý đến chỉ số phục hồi và chỉ số biến dạng của vật liệu cao su.
Tóm lại, thiết kế nên cố gắng đảm bảo rằng vòng chữ O có nhiệt độ làm việc phù hợp hoặc chọn vật liệu vòng chữ O chịu nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp để kéo dài tuổi thọ.
Áp suất làm việc trung bình và biến dạng vĩnh viễn Áp suất của môi trường làm việc là yếu tố chính gây ra biến dạng vĩnh viễn của vòng chữ O.
Áp lực làm việc của các thiết bị thủy lực hiện đại ngày càng tăng. Áp suất cao trong thời gian dài sẽ gây biến dạng vĩnh viễn cho vòng chữ O. Do đó, vật liệu cao su chịu áp lực thích hợp nên được lựa chọn theo áp suất làm việc trong quá trình thiết kế. Áp suất làm việc càng cao thì độ cứng và khả năng chịu áp lực cao của vật liệu được sử dụng càng cao. Để cải thiện khả năng chịu áp suất của vật liệu vòng chữ O, tăng độ đàn hồi của vật liệu (đặc biệt là tăng độ đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ thấp) và giảm độ nén của vật liệu, nói chung cần phải cải thiện công thức của vật liệu và thêm chất hóa dẻo. Tuy nhiên, nếu ngâm vòng chữ O có chất làm dẻo trong môi trường làm việc trong thời gian dài, chất làm dẻo sẽ bị môi trường làm việc hấp thụ dần, khiến thể tích của vòng chữ O bị co lại, thậm chí có thể gây ra hiện tượng nén âm của vòng chữ O. Vòng chữ O (tức là có khe hở giữa vòng chữ O và bề mặt của bộ phận bịt kín).
Do đó, khi tính toán độ nén của vòng chữ O và thiết kế khuôn, những sự co ngót này phải được tính đến đầy đủ. Vòng chữ O ép phải duy trì kích thước cần thiết sau khi ngâm trong môi trường làm việc trong 5-10 ngày và đêm.
Bộ nén của vật liệu vòng chữ O phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi tốc độ biến dạng từ 40% trở lên sẽ xảy ra hiện tượng rò rỉ nên giới hạn chịu nhiệt của một số vật liệu cao su là: cao su nitrile 70 độ C, cao su EPDM 100 độ C, cao su flo 140 độ C. Vì vậy, các quốc gia đã đưa ra quy định về biến dạng vĩnh viễn của vòng chữ O.
Đối với các vòng chữ O của cùng một vật liệu, ở cùng nhiệt độ, vòng chữ O có đường kính mặt cắt ngang lớn hơn có bộ nén thấp hơn. Trong dầu tình hình là khác nhau. Do vòng chữ O không tiếp xúc với oxy vào thời điểm này nên các phản ứng bất lợi nêu trên sẽ giảm đi rất nhiều. Ngoài ra, nó thường gây ra một sự giãn nở nhất định của hợp chất cao su, do đó tốc độ cài đặt nén do nhiệt độ gây ra sẽ được bù lại. Do đó, khả năng chịu nhiệt trong dầu được cải thiện rất nhiều. Lấy cao su nitrile làm ví dụ, nhiệt độ làm việc của nó có thể đạt tới 120 độ hoặc cao hơn.