Desain dan pengembangan segel oli

Desain struktur segel oli terutama didasarkan pada kondisi pengoperasian, kondisi perakitan, dan kondisi lingkungan. Faktor-faktor seperti kinerja penyegelan, masa pakai, bahan, proses manufaktur, dan efisiensi ekonomi harus dipertimbangkan. Saat mendesain segel oli, langkah pertama adalah memilih bahan segel yang sesuai. Formula senyawa karet yang digunakan harus memberikan kombinasi sifat yang masuk akal yang memenuhi persyaratan ketahanan panas, ketahanan oli, ketahanan aus, dan kinerja proses yang baik.

Parameter penggunaan segel oli dan parameter desain
 

Dalam desain struktural, parameter yang digunakan dan parameter desain harus kompatibel. Hubungan antara parameter desain dan parameter yang digunakan dapat diilustrasikan dalam Tabel 1.

Saat mendesain struktur segel oli, parameter struktural yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini harus dipertimbangkan.

(1) Interferensi Bibir (d-d1)

Jika interferensi besar, bibir akan meregang berlebihan, menyebabkan penuaan dan keausan, memperpendek masa pakai. Jika interferensi kecil, kinerja penyegelan akan buruk. Karena interferensi terkait dengan gaya radial seluruh bibir, harus dipertimbangkan secara komprehensif. Nilai interferensi ​​ yang ditunjukkan dalam Tabel 2 hanya untuk referensi.

Tabel 2 Interferensi dari berbagai diameter poros

(2) Nilai posisi pegas "R"

Nilai ini adalah lebar kontak teoretis dalam desain. Nilai "R" yang lebih besar meningkatkan lebar kontak dan gesekan. Nilai "R" yang lebih kecil tidak kondusif untuk penyegelan. Nilai "R" ​​ untuk posisi pegas dalam Tabel 3 hanya untuk referensi.

(3) Panjang pinggang

Gaya radial yang disediakan oleh panjang pinggang adalah sekitar 50% dari gaya radial bibir segel oli. Penting untuk mempertahankan gaya radial yang rendah. Salah satu cara untuk mencapainya adalah dengan memperpanjang panjang pinggang segel oli. Namun, diameter luar segel oli umumnya distandarisasi. Bahkan ruang perakitan yang tidak distandarisasi juga membatasi lebar ini. Oleh karena itu, panjang lurus pinggang terbatas. Masalah ini dapat dipecahkan dengan menurunkan bagian melengkung dari bagian lurus pinggang.

(4) Ketebalan bagian pinggang

Eksperimen telah menunjukkan bahwa bahkan di bawah tekanan rendah, deformasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar (A) dapat dengan mudah terjadi. Hanya menebalkan pinggang yang merugikan kemampuan bibir untuk mengikuti eksentrisitas. Pinggang yang lebih tebal melemahkan aksi pegas, menghasilkan kemampuan mengikuti eksentrisitas yang kurang efektif daripada pinggang yang lebih tipis. Untuk mengatasi konflik antara deformasi pinggang dan kemampuan mengikuti, disarankan agar pinggang dibentuk kembali seperti yang ditunjukkan pada Gambar (B). Ini meningkatkan kekakuan pinggang tanpa mengorbankan kemampuan mengikuti eksentrisitas.

(5) Panjang Atas Kepala

Beberapa diagram penampang segel oli mendesain panjang atas kepala (t) agar sama dengan jari-jari alur pegas (r). Namun, selama penggunaan, pegas sering terlepas. Untuk mencegah pegas terlepas, desain harus memastikan bahwa t lebih besar dari r, setidaknya memenuhi hubungan berikut: t = 4/3 r.

(6) Bentuk alur pegas

Banyak segel oli telah membuat kesalahan dalam desain alur pegas, merancang jari-jari alur pegas (R) dan jari-jari lingkaran pegas (r) ke nilai yang berbeda. Verifikasi eksperimen telah menemukan bahwa beberapa bibir segel oli memiliki dua zona kontak. Oleh karena itu, ketika R=r, keadaan distribusi tegangan bibir adalah yang terbaik, hanya dengan satu zona kontak. Namun, karena pemrosesan cetakan, penyusutan karet, dll., seringkali sulit untuk membuat keduanya benar-benar sama dalam manufaktur. Satu-satunya cara untuk mempertahankan perbedaan kecil antara keduanya adalah dengan mempertahankan perbedaan kecil antara keduanya.

(7) Desain rangka logam

Fungsi utama rangka logam adalah untuk memperkuat kekakuan struktural segel oli. Ketebalan dan metode konfigurasinya bergantung pada kondisi kerja dan kondisi perakitan segel oli.

(8) Kumparan Pegas

Ada dua jenis pegas yang digunakan dalam segel oli: pegas garter dan pegas daun. Pegas garter adalah yang paling umum digunakan dari keduanya. Untuk perhitungan diameter pegas, panjang yang diperpanjang, dan jumlah kumparan kawat, lihat standar yang relevan dan manual desain mekanik.

(9) Gaya Radial

Gaya radial adalah parameter yang sangat penting. Pengaruhnya terhadap kinerja segel oli dirangkum sebagai berikut:

1. Jika gaya radial terlalu kecil, kinerja penyegelan akan buruk; 2. Jika gaya radial terlalu besar, keausan akan terjadi dan masa pakai akan dipersingkat; 3. Gaya radial secara langsung memengaruhi gesekan dan suhu area kontak. Ketika gaya radial terlalu besar, gesekan menghasilkan panas yang besar dan mempercepat penuaan bibir; 4. Keausan poros juga dipengaruhi oleh gaya radial; 5. Ketika poros dan rumah eksentrik, gaya radial yang sesuai harus diterapkan untuk memastikan bahwa bibir memiliki kemampuan pelacakan yang sesuai; 6. Gaya radial membatasi tekanan operasi media. Jika tekanan media terlalu tinggi, peningkatan lebih lanjut dalam gaya radial akan memperpendek umur segel oli.

Bahan segel oli

Saat ini, segel oli terutama diproduksi dari karet sintetis. Karena pemilihan dan desain strukturalnya adalah faktor kunci yang memengaruhi kinerja penyegelan dan masa pakai segel oli, sangat penting untuk memahami secara akurat sifat-sifat karet dan memilih bahan yang sesuai. Bahan karet yang paling cocok untuk segel oli harus ditentukan berdasarkan parameter yang relevan dari segel oli: gaya radial pada poros harus cukup tinggi untuk mencegah kebocoran, namun cukup rendah untuk mempertahankan ketebalan film oli tertentu untuk menjaga panas gesekan tetap rendah. Segel harus memiliki pas interferensi yang cukup untuk mengatasi efek eksentrisitas selama pengoperasian. Area bibir di zona kontak juga merupakan faktor penentu.

Bahan segel oli secara langsung memengaruhi ketiga parameter ini. Seiring perubahan bahan seiring waktu dan suhu, parameter kunci juga berubah sesuai. Misalnya, seiring peningkatan suhu, modulus bahan menurun, menyebabkan perubahan gaya radial. Ekspansi termal, pembengkakan bahan yang disebabkan oleh media penyegelan, dan kekerasan senyawa karet semuanya memengaruhi gaya radial dan pas interferensi.

Karena alasan ini, sifat-sifat berikut harus dipertimbangkan saat memilih bahan segel oli: kompatibilitas dengan media penyegelan, ketahanan terhadap pembengkakan atau pengerasan karena media; ketahanan panas dan aus yang baik; dan elastisitas sedang untuk mengakomodasi variasi kekasaran poros dan eksentrisitas.

Karena evolusi konstan dari formulasi bahan karet, dengan bahan baru yang muncul dan bahan yang ada terus-menerus ditingkatkan, berikut adalah deskripsi singkat dari bahan yang paling umum digunakan untuk segel oli: karet nitril (NBR), karet poliakrilat (PAR), karet silikon, karet fluor (FKM), dan politetrafluoroetilena (PTFE).

Karet Nitril

NBR dapat digunakan dalam jumlah yang lebih besar daripada semua elastomer lainnya yang digabungkan dalam pembuatan segel. NBR adalah kopolimer butadiena dan propilena, dengan kandungan propilena mulai dari 18% hingga 40%. Ini dikategorikan sebagai kandungan propilena rendah, sedang, dan tinggi. Sementara ketahanan oli NBR meningkat dengan kandungan propilena, fleksibilitas suhu rendahnya menurun. Untuk mencapai kinerja suhu rendah yang baik, beberapa ketahanan terhadap bahan bakar dan oli suhu tinggi sering dikorbankan. Karet nitril memiliki sifat fisik yang sangat baik, dengan aliran dingin, sobek, dan ketahanan abrasi yang lebih baik daripada sebagian besar karet lainnya. Namun, ia tidak tahan terhadap ozon, cuaca, dan sinar matahari, meskipun sifat-sifat ini dapat ditingkatkan melalui desain formulasi. Karet nitril cocok untuk digunakan dengan oli berbasis minyak bumi, bahan bakar minyak, air, oli silikon dan ester silikon, dan campuran etilena glikol. Namun, tidak cocok untuk kontak dengan oli EP, hidrokarbon terhalogenasi, nitrokarbon, cairan ester fosfat, keton, asam kuat, dan cairan rem otomotif tertentu.

Karet Poliakrilat

Karet Poliakrilat (ACM) adalah ko-bubur emulsi dari akrilat alkil dengan monomer tak jenuh lainnya. Akrilat alkil yang umum digunakan adalah etilena etil akrilat dan butil akrilat. Kinerja karet poliakrilat terletak di antara karet nitril dan karet fluor. Karena rantai utamanya tidak mengandung ikatan ganda, ia menunjukkan ketahanan tinggi terhadap panas, ozon, dan pelapukan. Kehadiran gugus fungsional klorin (Cl) atau (CM) pada rantai sampingnya selanjutnya meningkatkan ketahanan olinya, memungkinkan penggunaan dalam oli panas pada suhu antara 170°C dan 180°C. Fitur utama dari karet ini adalah ketahanannya yang sangat baik terhadap oli mineral, oli hiperbolik, dan mentega pada suhu 178°C. Ia juga menunjukkan ketahanan yang sangat baik terhadap penuaan dan retak lentur, sehingga cocok untuk segel oli. Kerugian utamanya termasuk pemrosesan yang buruk, menempel pada rol selama pencampuran, kinerja suhu rendah yang terbatas, ketahanan yang buruk terhadap air dan uap, ketahanan yang buruk terhadap etilena glikol dan oli aromatik tinggi, set kompresi yang tinggi, dan korosi yang signifikan terhadap cetakan logam dan poros. Elastisitas, ketahanan aus, dan sifat isolasi listriknya juga relatif buruk. Lebih lanjut, karena tingkat kejenuhannya yang tinggi, ia memiliki laju vulkanisasi yang lambat. Sementara ketahanan ausnya dapat ditingkatkan secara signifikan dengan formulasi yang tepat, ia masih kalah dengan karet nitril.

Karet Silikon

Karet silikon mempertahankan sifat mekaniknya pada rentang suhu yang luas, tetap fleksibel pada -65°C dan mampu beroperasi dalam waktu lama pada suhu 230°C. Meskipun sifat mekaniknya dapat ditingkatkan melalui penggabungan khusus, kekuatan, ketahanan sobek, dan ketahanan abrasinya umumnya relatif buruk. Ketahanannya terhadap alkali, asam lemah, dan ozon umumnya baik, tetapi ketahanan olinya sedang. Sifat kimia dapat ditingkatkan dengan agen penggabungan, seperti yang digunakan untuk meningkatkan ketahanan oli dan bahan bakar. Namun, karet silikon umumnya tidak cocok untuk digunakan dalam hidrokarbon seperti bensin, parafin, dan oli mineral ringan, karena media ini akan menyebabkannya membengkak dan melunak. Keuntungan utama karet silikon adalah kemampuannya untuk mempertahankan elastisitas pada suhu yang sangat rendah. Lebih lanjut, ia dapat menahan suhu tinggi untuk jangka waktu yang lama tanpa mengeras, sehingga cocok untuk rentang segel suhu tinggi dan rendah yang lebih luas daripada karet lainnya. Untuk segel putar, suhu operasinya lebih tinggi daripada karet standar. Namun, karet silikon lebih mahal daripada sebagian besar karet lainnya.

Karet fluorosilikon adalah karet yang lebih mahal. Kinerjanya pada dasarnya sama dengan karet silikon, tetapi rentang aplikasinya lebih sempit. Keuntungan utamanya adalah ketahanan olinya, yang sebanding atau mendekati karet nitril. Ini memungkinkannya untuk digunakan di luar batas suhu operasi karet nitril sambil tetap menawarkan ketahanan oli yang tidak dimiliki karet silikon.

Karet Fluor

Karet fluor adalah polimer jenuh yang mengandung atom fluor pada atom karbon dalam rantai utama atau samping. Ia memiliki sifat unik dan sangat baik. Ia ditandai dengan ketahanan terhadap suhu tinggi, oli, korosi parah, pelarut, pelapukan, ozon, permeabilitas gas rendah, dan sifat fisik yang sangat baik. Ia dapat beroperasi terus menerus pada suhu antara 200°C dan 250°C. Namun, kerugiannya adalah kinerja suhu rendah yang buruk dan set kompresi yang tinggi. Penelitian yang cukup besar telah dilakukan baik di dalam maupun di luar negeri untuk meningkatkan set kompresi karet fluor.

Politetrafluoroetilena

Plastik umumnya semi-kaku dan umumnya tidak digunakan sebagai segel. Politetrafluoroetilena (PTFE) adalah pengecualian. Ini adalah senyawa fluorokarbon dengan sifat unik, terutama ketahanannya terhadap serangan kimia pada rentang suhu operasi yang luas. Ia menunjukkan koefisien gesekan yang rendah terhadap logam, tetapi tanpa pengisi penguat, kekuatan mekaniknya rendah. PTFE sangat berguna dalam segel yang dibuat dari struktur komposit. Misalnya, PTFE yang dikerjakan atau dicetak dapat digunakan sebagai permukaan gesekan rendah dan lapisan tahan bahan kimia.

Sifat Bahan Segel Oli

Suhu Pengoperasian Bahan Segel Oli

Suhu pengoperasian adalah faktor penting yang memengaruhi masa pakai segel oli. Suhu pengoperasian dari beberapa bahan segel oli yang umum digunakan ditunjukkan dalam Tabel 4.

Tabel 4 Suhu pengoperasian bahan segel oli yang umum digunakan

Perubahan kinerja pada suhu rendah berbeda secara signifikan dari yang pada suhu tinggi. Seiring penurunan suhu, hampir semua elastomer secara bertahap mengeras karena hilangnya fleksibilitas, memperlambat pemulihan mereka dari deformasi. Kristalisasi juga terjadi, meskipun lambat. Sebelum bahan mencapai kerapuhan, jika tidak ada bahan elastomer alternatif, gaya pegas dapat memberikan ketahanan yang diperlukan. Pada suhu tinggi, semua elastomer kehilangan elastisitasnya dan cenderung melunak. Suhu tinggi juga mempercepat penuaan bahan, biasanya bermanifestasi sebagai hilangnya elastisitas dan peningkatan bertahap dalam kekerasan dan modulus.

Ketahanan aus bahan segel oli

Ketahanan aus bahan adalah faktor penting untuk segel oli. Ketahanan aus karet terkait dengan kekerasan dan ketahanan sobeknya. Umumnya, ketahanan aus meningkat dengan peningkatan kekerasan; ketahanan sobek yang lebih baik juga mengarah pada ketahanan aus yang lebih baik. Lebih lanjut, ketahanan aus suatu bahan juga dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti koefisien gesekannya dan kilap permukaan kawin.

Kompatibilitas dengan Media Penyegelan

Saat bahan menyerap media cair, volumenya berubah. Ekspansi yang berlebihan dapat menurunkan sifat fisik dan mekanik bahan, membuatnya tidak dapat diterima. Ekspansi yang berlebihan juga dapat menyebabkan reaksi kimia, seperti disolusi, interaksi antara komponen tertentu dalam bahan, atau kerapuhan permukaan, yang menyebabkan retak. Dalam kasus ini, media penyegelan dan bahan tidak kompatibel. Dalam beberapa kasus, media penyegelan dapat mengekstraksi aditif seperti plasticizer dan antioksidan dari senyawa karet, mengubah komposisi elastomer dan bahkan menyebabkan penyusutan, yang menyebabkan kebocoran. Untuk informasi tentang kompatibilitas bahan segel oli dengan media tertentu, silakan merujuk ke Tabel 5.

Tabel 5 Kompatibilitas bahan segel oli

Dari atas, dapat dilihat bahwa desain struktural segel oli sangat penting. Bahkan jika bahan segel oli sangat bagus, jika desain strukturalnya tidak masuk akal, penyegelan yang efektif tidak dapat dicapai.