У гідраўлічных сістэмах, аэракасмічным абсталяванні і нават у бытавых ачышчальніках вады найбольш распаўсюджанымі эластычнымі ўшчыльняльнымі элементамі з'яўляюцца O- і X-вобразныя кольцы. Нягледзячы на тое, што абодва тыпы ўшчыльненняў з'яўляюцца кальцавымі, існуюць значныя адрозненні ў структурнай механіцы, адаптацыі да ўмоў працы і рэжымах разбурэння. Гэты артыкул змяшчае дакладнае кіраўніцтва па выбары для інжынернага праектавання, параўноўваючы 8 набораў асноўных параметраў.
1. Адрозненні ў структурных характарыстыках і механізмах герметызацыі
Асаблівасці O-кольца X-кольца (зоркападобнае кольца)
Форма папярочнага сячэння Стандартная круглая Чатырохгранная сіметрычная Х-вобразная
Прынцып ушчыльнення Радыяльнае сцісканне стварае кантактнае напружанне Шматлінейны кантакт + ціск Самазаціскное падвойнае ўшчыльненне
Тыповы памер Унутраны дыяметр Φ3~500 мм, дыяметр дроту 1~10 мм Унутраны дыяметр Φ10~300 мм, дыяметр дроту 2~15 мм
Асноўныя адрозненні:
Ушчыльняльнае кольца: аднакропкавая дэфармацыя сціскання, якая абапіраецца на перашкоды (звычайна 15%~30%) для ўтварэння ўшчыльнення;
Х-вобразнае кольца: чатыры ўшчыльняльныя абзы дэфармуюцца незалежна пад ціскам, утвараючы лішні ўшчыльняльны інтэрфейс.
2. Параўнанне дынамічных характарыстык (на прыкладзе матэрыялу NBR)
Параметры O-кольца X-кольца
Супраціў трэння 0,15~0,3 (каэфіцыент сухога трэння) 0,08~0,15 (зніжэнне на 40%~50%)
Здольнасць супрацьстаяць кручэнню. Схільнасць да спіральнага разбурэння (адхіленне >5°). Дапускаецца адхіленне ±15° без уцечкі.
Пускавы крутоўны момант Высокі (у значнай ступені залежыць ад сціску) Зніжаны на 30%~60% (эфект размеркавання нагрузкі паміж некалькімі кромкамі)
Дынамічны тэрмін службы 500 000~1 мільён зваротна-паступальных рухаў 2 мільёны~5 мільёнаў зваротна-паступальных рухаў
Інжынернае значэнне:
Х-вобразныя кольцы больш падыходзяць для высокачастотных зваротна-паступальных рухаў (напрыклад, ушчыльненняў штока поршня цыліндра), што можа знізіць спажыванне энергіі і падоўжыць цыклы тэхнічнага абслугоўвання.
3. Адаптыўнасць да экстрэмальных умоў працы
Сцэнар Прадукцыйнасць O-кольца Перавагі X-кольца
Высокі ціск (>30 МПа) Лёгка ўціскаецца ў шчыліну (патрабуецца стопорнае кольца) Чатыры краю падтрымліваюць і размеркаваны ціск, а здольнасць супраць экструзіі павялічваецца ў 3 разы
Вакуумнае ўшчыльненне. Недастатковае адскокванне пры сцісканні схільнае да ўцечкі. Шмат'ярусныя вусны ўтвараюць ступеністае ўшчыльненне, што лепш за ўсё ўтрымлівае вакуум.
Змяненне тэмпературы схільнае да рэшткавай дэфармацыі пры сцісканні (>20%). Кожная губа незалежна кампенсуе цеплавое пашырэнне, а хуткасць дэфармацыі складае <10%.
Вібрацыйнае асяроддзе. Вялікія ваганні кантактных напружанняў і лёгкае аслабленне. Эфект шматграннага дэмпфіравання, амплітуднае згасанне больш за 50%.
Тыповыя выпадкі:
Гідраўлічныя прывады касмічных апаратаў выкарыстоўваюць Х-вобразныя кольцы, якія могуць вытрымліваць перапады тэмператур ад -65℃ да 150℃ і вібрацыю 20G;
Глыбакаводныя клапаны выкарыстоўваюць камбінацыю ўшчыльняльнага кольца і ўтрымлівальнага кольца з ПТФЭ, каб вытрымліваць гідрастатычны ціск 100 МПа.
4. Выбар матэрыялаў і эканамічны аналіз
Матэрыял Адаптыўнасць O-кольца Адаптыўнасць X-кольца
Фторкаўчук (FKM) Тэмпературная ўстойлівасць -20℃~200℃, кошт 5~15 юаняў/шт. Патрабуецца больш высокая хуткасць адскоку, кошт 20~50 юаняў/шт.
Сіліконавая гума (VMQ) Лёгка рвецца, выкарыстоўваць з асцярожнасцю пры дынамічным герметызацыі Чатырохгранная структура кампенсуе трываласць, лепшае прымяненне
Паліурэтан (ПУ) Зносаўстойлівы, але дрэнная ўстойлівасць да гідролізу Высокая цвёрдасць (90 па Шору А) Больш стабільны
Параўнанне коштаў:
Кошт формы для X-кольца ў 2-3 разы вышэйшы, чым для O-кольца (дакладная апрацоўка вугроў), але розніца ў цане за адзінку пры масавай вытворчасці можа быць зменшана да 1,5 разоў;
У сцэнарах высокага ціску і працяглага тэрміну службы кошт X-кольца на працягу ўсяго тэрміну службы на 40%~60% ніжэйшы.
5. Дрэва рашэнняў выбару
Пераважней выкарыстоўваць ушчыльняльнае кольца:
Статычнае ўшчыльненне і ціск <15 МПа;
Праекты, адчувальныя да выдаткаў;
Абмежаваная прастора для ўстаноўкі (малы радыяльны памер).
Перавага аддаецца Х-вобразным кольцам:
Дынамічная частата зваротна-паступальных рухаў > 1 Гц;
Працоўны ціск > 20 МПа або ўдар ціску;
Павінен вытрымліваць шматнакіраваную вібрацыю або прагін.
VI. Пункты ўстаноўкі і прадухілення паломак
Спасылкі Асноўныя элементы кіравання для ўшчыльняльных кольцаў Спецыяльныя патрабаванні да хрыбетнікавых кольцаў
Канструкцыя пазы Суадносіны шырыні да глыбіні 1,3~1,5, шурпатасць Ra≤0,8 мкм Павялічце вугал нахілу (15°~30°), каб прадухіліць перакульванне краю
Змазка Сіліконавая змазка або фторзмяшчальная змазка Неабходна выкарыстоўваць змазку з нізкай глейкасцю (ISO VG32 або менш)
Распаўсюджаныя паломкі Разрыў экструзіі (больш за 60%) Нераўнамерны знос абзы (патрабуецца рэгулярнае становішча кручэння)
Інавацыйны працэс:
Ушчыльняльнае кольца: пакрыццё MoS₂ напыляецца на паверхню, і каэфіцыент трэння зніжаецца да 0,05;
Х-кольца: Лазерна гравіраваны мікратэкстураваны алейны рэзервуар, час утрымання змазкі павялічваецца ў 3 разы.
Выснова: ад структурных адрозненняў да адаптацыі сцэны
Ушчыльняльныя кольцы дамінуюць у галіне традыцыйных ушчыльняльнікаў дзякуючы сваёй прастаце і надзейнасці, у той час як Х-вобразныя кольцы дасягаюць тэхналагічных прарываў у умовах высокага ціску і дынамічных умовах дзякуючы сінергічнаму эфекту некалькіх краёў. У будучыні, з ужываннем тапалагічнай аптымізацыі дызайну і разумных матэрыялаў (такіх як самааднаўляльныя эластомеры), мяжа прадукцыйнасці паміж імі будзе яшчэ больш размыта, але асноўнае адрозненне паміж «аднаінтэрфейсным сцісканнем» і «шматўзроўневым рэзерваваннем ушчыльнення» будзе па-ранейшаму дамінаваць у логіцы выбару. Інжынерам неабходна ўважліва сачыць за пікам ціску, частатой руху і характарыстыкамі асяроддзя ў спектры працоўных умоў, каб знайсці найлепшы баланс паміж коштам і надзейнасцю.
Час публікацыі: 10 сакавіка 2025 г.