În cazul valvelor de înaltă temperatură și presiune, al sistemelor de alimentare cu combustibil pentru aviație și al echipamentelor semiconductoare ultra-curate, etanșarea cu arc energizat a devenit o soluție de referință în domeniul etanșării dinamice datorită sinergiei dintre arc și buza de etanșare. Alegerea tipului de arc central (tip V și tip O) afectează direct performanța și durata de viață a etanșării. Acest articol analizează în profunzime diferențele tehnice și logica de selecție inginerească a celor două arcuri, din punct de vedere al dimensiunilor mecanicii structurale, adaptării la condițiile de lucru și modului de defecțiune.
1. Compararea designului structural și a proprietăților mecanice
Caracteristici Arc tip V Arc tip O (arc elicoidal)
Formă transversală Înfășurare continuă a benzii metalice în formă de V Înfășurare spiralată cu sârmă rotundă
Modul de forță Suportul elastic radial este principalul efect compozit de compresie axială + expansiune radială
Coeficient de rigiditate (N/mm) Mare (500~2000) Mediu-scăzut (200~800)
Capacitate de compensare a deformării: limitată (depinde de schimbarea unghiului în formă de V), ridicată (structura elicoidală se poate deforma în mai multe direcții)
Proces de fabricație Ștanțare + bobinare, cerințe de înaltă precizie Bobinare CNC, proces matur
Diferențe principale:
Arc în formă de V: Oferă forță radială de susținere prin îndoirea elastică a secțiunii în formă de V, rigiditate ridicată, dar interval de deformare mic;
Arc de tip O: Utilizează compresia și deformarea torsională a structurii spiralate pentru a obține o compensare adaptivă multidirecțională.
2. Parametrii de performanță și adaptabilitatea condițiilor de lucru
1. Adaptabilitatea presiunii de etanșare
Arc tip V:
Avantaje: Designul de rigiditate ridicată poate suporta presiuni ultra-înalte (etanșarea statică poate ajunge la 1000 MPa);
Scenariu: Etanșare pompă principală centrală nucleară, supapă turbină cu CO₂ supercritic.
Arc de tip O:
Avantaje: Deformare elastică mare (rata de compresie poate ajunge la 50%), potrivită pentru scenarii de fluctuații de presiune;
Scenariu: Garnitură alternativă a unui cilindru hidraulic, actuator aerospațial.
2. Compatibilitatea temperaturii și a mediului
Arc tip V:
Material: Se utilizează în principal Inconel X-750 sau Elgiloy (aliaj pe bază de cobalt), cu o rezistență la temperatură de 650℃;
Dezavantaje: Secțiunea transversală complexă îngreunează placarea, iar rezistența la coroziune depinde de substrat.
Arc de tip O:
Material: Oțel inoxidabil 316L sau Hastelloy C-276, utilizat în mod obișnuit, cu o rezistență mai bună la coroziune;
Dezavantaje: Relaxarea stresului este predispusă la temperaturi ridicate (>400℃).
3. Caracteristicile răspunsului dinamic
Arc tip V:
Suprimarea vibrațiilor de înaltă frecvență: rigiditatea ridicată reduce riscul de rezonanță, potrivită pentru scenarii de peste 200Hz;
Consum de energie la frecare: Marginile în formă de V pot agrava uzura buzei de etanșare (este necesară placarea cu argint a suprafeței).
Arc de tip O:
Compensarea deplasării: structura spiralată poate absorbi o deformare axială de ±2 mm;
Cuplu de pornire: histerezis elastic redus, potrivit pentru controlul precis al mișcării.
4. Durată de viață și fiabilitate
Arc tip V:
Durata de viață la oboseală: 10⁷ cicluri (R=0,1, sarcină ＞50% valoarea limită);
Mod de cedare: concentrarea tensiunii la rădăcina formei de V duce la fractură.
Arc de tip O:
Durata de viață la oboseală: 10⁸ cicluri (R=0,5, sarcină <30% din valoarea limită);
Mod de defecțiune: blocarea golului spiralat sau coroziune prin coroziune.
3. Compararea scenariilor tipice de aplicare
Aplicație tipică a etanșării cu dop plat cu arc de tip V în industrie Aplicație tipică a etanșării cu dop plat cu arc de tip O
Supapă de sondă de gaz natural de înaltă presiune pentru energie (105 MPa) Etanșare cu palete de ghidare pentru turbine hidroelectrice (25 MPa)
Supapă de oxigen lichid pentru motorul de rachetă aerospațială (-196℃) Actuator hidraulic pentru trenul de aterizare al aeronavei (150℃)
Mașină de gravat cu plasmă pentru semiconductori, cameră de vid, echipament de curățare a plachetelor, articulație rotativă
Etanșare autoclavă medicală (abur 140℃) Etanșare articulație robot chirurgical (frecare redusă)
4. Arborele decizional de selecție și analiza costurilor
Logica de selecție:
Selecția preferențială a arcului de tip V:
Presiune > 70 MPa;
Distribuția tensiunii de contact trebuie controlată cu precizie;
Mediu cu vibrații de înaltă frecvență (> 150 Hz).
Selecția preferențială a arcului de tip O:
Fluctuația presiunii este mai mare de ±30%;
Mișcare compusă multidirecțională (rotație + mișcare alternativă);
Medii puternic corozive (cum ar fi acidul fluorhidric).
Comparație de costuri:
Arc tip V:
Costul materialului: Materialul Inconel este de aproximativ 8000 ￥/kg;
Costul de procesare: Ștanțarea de precizie + tratamentul termic reprezintă 40% din prețul unic al produsului.
Arc de tip O:
Costul materialului: oțelul inoxidabil 316L costă aproximativ 150 ￥/kg;
Costul de procesare: bobinarea CNC reprezintă 25% din prețul unic al produsului.
Economie de întreținere:
Etanșare cu arc tip V cu dopuri plate: cost ridicat pe durata de viață (înlocuirea necesită demontarea completă), dar rată scăzută de defecțiune;
Etanșare cu dopuri de etanșare cu arc de tip O: permite înlocuirea online a arcului, costul de întreținere este cu 30% mai mic.
V. Evoluția tehnologiei și direcția inovării
Optimizare arc tip V:
Proiectare cu optimizare topologică: remodelarea secțiunii în formă de V prin analiza cu elemente finite și reducerea concentrării de tensiuni cu 50%;
Fabricație aditivă: topirea selectivă cu laser (SLM) formează o structură integrată de etanșare cu arc.
Îmbunătățire arc tip O:
Materiale inteligente: Arcurile din aliaj cu memorie de formă (SMA) realizează o preîncărcare adaptabilă la temperatură;
Acoperire compozită: Acoperirea cu carbon asemănător diamantului (DLC) reduce coeficientul de frecare la 0,02.
Arc hibrid:
Structură compozită VO: Arcul exterior de tip V oferă un suport rigid, iar arcul interior de tip O compensează deformarea microscopică;
Scenariu de aplicare: Prima etanșare a pereților unui dispozitiv de fuziune nucleară (ținând cont de rezistența la radiații și de ciclul termic).
Concluzie
Aplicarea arcurilor de tip V și de tip O în etanșările cu dopuri plate este, în esență, o alegere tehnică de „suport rigid” și „adaptare elastică”. Arcurile de tip V sunt cunoscute pentru precizia lor mecanică și domină câmpurile extreme de presiune ultra-înaltă și vibrații de înaltă frecvență; arcurile de tip O sunt prima alegere pentru etanșările complexe de mișcare, datorită capacităților lor de compensare multidirecțională. În viitor, odată cu dezvoltarea calculului materialelor și a tehnologiei geamănului digital, designul arcurilor va depăși formele tradiționale și va promova evoluția etanșărilor cu dopuri plate către etanșări inteligente integrate de tip „percepție-răspuns”.
Data publicării: 06 martie 2025