Prinsip Penyegelan O-ring
O-ring, juga dikenal sebagai cincin-O, adalah cincin karet dengan penampang melingkar. Ini adalah segel yang paling banyak digunakan dalam sistem hidrolik dan pneumatik. O-ring menawarkan sifat penyegelan yang sangat baik dan dapat digunakan untuk segel statis dan bolak-balik. Mereka dapat digunakan secara independen dan merupakan komponen dasar dari banyak sistem penyegelan modular. Mereka memiliki berbagai aplikasi. Jika bahannya dipilih dengan benar, mereka dapat memenuhi persyaratan berbagai kondisi pengoperasian. Tekanan pengoperasian berkisar dari vakum 1,333 × 10⁵Pa hingga tekanan tinggi 400 MPa, dan suhu berkisar dari -60°C hingga 200°C.
Dibandingkan dengan jenis segel lainnya, O-ring memiliki keunggulan berikut:
1) Ukuran kecil dan mudah dipasang dan dibongkar.
2) Dapat digunakan untuk penyegelan statis dan dinamis, dengan hampir tidak ada kebocoran saat digunakan sebagai segel statis.
3) Satu O-ring menyediakan penyegelan dua arah.
4) Gesekan dinamis rendah.
O-ring adalah jenis segel ekstrusi. Prinsip kerjanya yang mendasar bergantung pada deformasi elastis dari elemen segel, menciptakan tekanan kontak pada permukaan penyegel. Jika tekanan kontak melebihi tekanan internal media yang disegel, kebocoran akan terjadi; jika tidak, kebocoran akan terjadi. Penyebab dan metode perhitungan tekanan kontak pada permukaan penyegel berbeda untuk segel statis dan dinamis dan memerlukan penjelasan terpisah.
1. Prinsip Penyegelan untuk Segel Statis
O-ring adalah yang paling banyak digunakan dalam segel statis. Jika dirancang dan digunakan dengan benar, O-ring dapat mencapai segel absolut tanpa kebocoran.
Setelah O-ring dipasang di alur penyegel, penampangnya mengalami tegangan kompresi kontak, menyebabkan deformasi elastis. Hal ini menghasilkan tekanan kontak awal Po tertentu pada permukaan kontak. Bahkan tanpa atau dengan tekanan yang sangat rendah, O-ring mempertahankan segel karena gaya elastisnya sendiri. Ketika media bertekanan memasuki ruang, O-ring bergeser ke sisi tekanan yang lebih rendah di bawah pengaruh tekanan media, lebih lanjut meningkatkan deformasi elastisnya untuk mengisi dan menutup celah δ. Pada titik ini, tekanan kontak pada permukaan kawin dari pasangan penyegel naik menjadi Pm:
Pm=Po+Pp
Di mana Pp adalah tekanan kontak yang ditransmisikan ke permukaan kontak melalui O-ring (0,1 MPa).
Pp=K·P
K adalah koefisien transmisi tekanan, dengan K=1 untuk O-ring karet;
P adalah tekanan fluida yang disegel (0,1 MPa).
Ini sangat meningkatkan efek penyegelan. Karena K umumnya ≥ 1, Pm>P. Oleh karena itu, selama ada tekanan awal pada O-ring, ia dapat mencapai segel absolut tanpa kebocoran. Sifat O-ring ini, yang bergantung pada tekanan media itu sendiri untuk mengubah keadaan kontak O-ring dan mencapai segel, disebut penyegelan diri.
Secara teoritis, bahkan jika deformasi kompresi nol, ia masih dapat menyegel di bawah tekanan oli. Namun, dalam praktiknya, O-ring mungkin eksentrik selama pemasangan. Oleh karena itu, setelah O-ring dipasang di alur penyegel, penampangnya umumnya mengalami deformasi kompresi sebesar 7%-30%. Rasio kompresi yang lebih tinggi digunakan untuk segel statis, sedangkan rasio kompresi yang lebih rendah digunakan untuk segel dinamis. Hal ini karena karet sintetis mengkompresi pada suhu rendah, sehingga pra-kompresi O-ring statis harus memperhitungkan penyusutan suhu rendahnya.
2. Prinsip Penyegelan untuk Segel Gerakan Bolak-balik
Segel gerakan bolak-balik adalah persyaratan penyegelan umum dalam komponen dan sistem hidrolik dan pneumatik. Segel gerakan bolak-balik digunakan pada piston silinder daya dan badan silinder, interposisi piston-ke-silinder dan kepala silinder, dan berbagai jenis katup geser. Celah terbentuk antara batang silinder dan lubang silinder, di mana batang bergerak secara aksial. Segel membatasi kebocoran aksial fluida. Saat digunakan sebagai segel gerakan bolak-balik, sifat pra-penyegelan dan penyegelan diri O-ring mirip dengan segel statis. Selain itu, karena elastisitasnya yang melekat, O-ring dapat secara otomatis mengkompensasi keausan. Namun, saat menyegel media cair, situasinya lebih kompleks daripada dengan segel statis karena pengaruh kecepatan batang, tekanan cairan, dan viskositas.
Ketika cairan berada di bawah tekanan, molekul cairan berinteraksi dengan permukaan logam. Molekul polar dalam oli sejajar erat dan merata pada permukaan logam, membentuk film batas yang kuat antara permukaan geser dan segel, yang memberikan daya rekat yang kuat ke permukaan geser. Film cairan ini selalu ada di antara segel dan permukaan bolak-balik, memberikan tingkat penyegelan tertentu dan sangat penting untuk melumasi permukaan penyegel yang bergerak. Namun, itu merugikan kebocoran. Ketika poros bolak-balik ditarik ke luar, film cairan pada poros ditarik bersamanya. Karena aksi "penyeka" dari segel, ketika poros bolak-balik ditarik kembali, film cairan ini tertahan di luar oleh elemen penyegel. Seiring dengan meningkatnya jumlah langkah bolak-balik, lebih banyak cairan tertahan di luar, akhirnya membentuk tetesan oli, yang mewakili kebocoran pada segel bolak-balik. Karena viskositas oli hidrolik menurun dengan meningkatnya suhu, ketebalan film oli juga menurun. Oleh karena itu, ketika peralatan hidrolik dihidupkan pada suhu rendah, kebocoran lebih besar pada awal gerakan. Seiring dengan naiknya suhu karena berbagai kerugian selama gerakan, kebocoran cenderung berangsur-angsur menurun.
O-ring, sebagai segel bolak-balik, berukuran ringkas dan kecil, dan terutama digunakan dalam:
1) Komponen hidrolik bertekanan rendah, umumnya terbatas pada langkah pendek dan tekanan sedang sekitar 10 MPa.
2) Katup spool hidrolik berdiameter kecil, langkah pendek, dan tekanan sedang.
3) Katup spool dan silinder pneumatik.
4) Sebagai elastomer dalam segel bolak-balik gabungan.
O-ring paling cocok sebagai segel bolak-balik untuk diameter kecil, langkah pendek, dan tekanan rendah hingga sedang, seperti pada komponen bolak-balik seperti silinder pneumatik dan katup spool. Dalam komponen hidrolik, penggunaan O-ring sebagai segel dinamis utama umumnya terbatas pada langkah pendek dan tekanan sedang hingga rendah sekitar 10 MPa. O-ring tidak cocok untuk segel bolak-balik berkecepatan sangat rendah atau sebagai satu-satunya segel untuk aplikasi bolak-balik bertekanan tinggi. Hal ini terutama disebabkan oleh gesekan tinggi dalam kondisi ini, yang dapat menyebabkan kegagalan segel prematur. Dalam aplikasi apa pun, segel harus digunakan sesuai dengan data atau kapasitas yang dinilai dan dirakit dengan benar untuk mencapai kinerja yang memuaskan.
3. Segel Putar
Segel oli dan segel mekanis umumnya digunakan untuk segel putar. Namun, segel oli beroperasi pada tekanan yang lebih rendah dan lebih besar, lebih kompleks, dan kurang dapat diproduksi daripada O-ring. Sementara segel mekanis dapat beroperasi pada tekanan tinggi (40 MPa), kecepatan tinggi (50 m/s), dan suhu tinggi (400°C), struktur mereka yang lebih kompleks dan besar serta biaya tinggi membuatnya hanya cocok untuk mesin berat di industri perminyakan dan kimia.
Masalah utama dengan O-ring untuk aplikasi putar adalah pemanasan Joule. Panas gesekan ini yang dihasilkan pada titik kontak antara poros berputar kecepatan tinggi dan O-ring menyebabkan suhu titik kontak ini naik terus menerus, sangat merusak bahan karet dan menyebabkan perubahan kompresi dan perpanjangan. Panas ini juga mempercepat penuaan bahan penyegel, mengurangi masa pakai O-ring. Itu juga menghancurkan film oli penyegel, menyebabkan kerusakan oli dan mempercepat keausan segel.
Berdasarkan situasi di atas, penelitian ekstensif dan mendalam telah dilakukan baik di dalam maupun di luar negeri pada O-ring untuk gerakan putar dalam beberapa tahun terakhir. Untuk menghindari pemanasan Joule, kuncinya terletak pada pemilihan parameter struktural O-ring yang benar berdasarkan sifat karet, terutama perpanjangan dan rasio kompresi O-ring. Studi eksperimen telah menunjukkan bahwa O-ring untuk gerakan putar harus dirancang dengan diameter dalam yang sama dengan atau sedikit lebih besar dari diameter poros putar, biasanya 3% hingga 5% lebih besar. Selama pemasangan, O-ring dikompresi dari diameter dalam ke dalam, dan kompresi penampang dirancang seminimal mungkin, biasanya sekitar 5%. Selain itu, bahan penyegel dengan dampak termal minimal digunakan jika memungkinkan, dan pertimbangan yang tepat diberikan pada pembuangan panas di lokasi pemasangan O-ring. Ini secara signifikan meningkatkan kinerja O-ring, memungkinkan penerapannya dalam penyegelan poros putar dengan kecepatan hingga 4 m/s.
Baru-baru ini, karet fluor tahan panas dan karet poliuretan tahan aus telah muncul, dan dengan pemahaman yang lebih dalam tentang efek pemanasan Joule pada komponen karet, solusi telah dikembangkan untuk mengatasi masalah ini, yang mengarah pada desain struktur penyegelan O-ring baru yang lebih cocok untuk gerakan putar berkecepatan tinggi dan bertekanan tinggi.
O-ring banyak digunakan dalam perangkat penyegel gerakan putar karena ukurannya yang kecil, struktur yang sederhana, biaya rendah, kinerja proses yang baik, dan berbagai aplikasi.