טבעות O הן העיצוב המכני הנפוץ ביותר לאיטום בגלל המחיר הזול, הייצור הפשוט, התפקוד האמינות ודרישות ההתקנה הפשוטות שלהן. למרות שטבעות O זולות, בסביבות מסוימות מסוימות, החלפה תכופה תגדיל את עלות התחזוקה של המכונה ותשפיע על הפעולה הרגילה של הציוד. לכן, יש צורך להבין את המאפיינים של טבעות O.
ב--50 עד -60 מעלות, חומרי גומי שאינם עמידים לטמפרטורות נמוכות יאבדו לחלוטין את הלחץ הראשוני שלהם; אפילו עבור חומרי גומי עמידים לטמפרטורה נמוכה, הלחץ הראשוני בשלב זה לא יהיה גדול מ-25 אחוז מהלחץ הראשוני ב-20 מעלות. הסיבה לכך היא שהדחיסה הראשונית של טבעת ה-O תלויה במקדם ההתפשטות הליניארית.
עיצוב ושימוש לא נכון בטבעת ה-O יאיץ את הנזק שלה ויאבד את ביצועי האיטום שלה.
ניסויים הראו שאם העיצוב של כל חלק של התקן טבעת האיטום הוא סביר, פשוט הגדלת הלחץ לא תגרום נזק לטבעת ה-O. בתנאי עבודה של לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה, הגורם העיקרי לנזק לטבעת ה-O-Tring הוא העיוות הקבוע של חומר ה-O-ring, עקיצת הרווח שנגרמה כתוצאה מהדחיסה של טבעת ה-O-Ting לתוך מרווח האיטום, ועיוות של טבעת ה-O במהלך התנועה.
דפורמציה קבועה מאחר שחומר הגומי הסינטטי המשמש לטבעת האיטום של טבעת ה-O הוא חומר ויסקו אלסטי, כמות הדחיסה שנקבעה בתחילה ויכולת חסימת החזרה יתעוותו לצמיתות ויאבדו בהדרגה לאחר שימוש ארוך טווח, ובסופו של דבר תגרום לדליפה.
עיוות קבוע ואובדן כוח אלסטי הם הסיבות העיקריות לכך שטבעות O מאבדות את ביצועי האיטום שלהן. להלן הסיבות העיקריות לעיוות קבוע.
הקשר בין יחס דחיסה לכמות המתיחה ועיוות קבוע
הפורמולציות השונות של הגומי המשמשות לייצור טבעות O ייצרו הרפיית מתח דחיסה במצב דחוס. בשלב זה, מתח הלחיצה יקטן עם עליית הזמן. ככל שזמן השירות ארוך יותר, קצב הדחיסה והמתיחה גבוהים יותר, כך גדלה ירידת המתח הנגרמת עקב הרפיית מתח הגומי, כך שטבעת ה-O אינה אלסטית מספיק ומאבדת את יכולת האיטום שלה. לכן, רצוי לנסות להפחית את יחס הדחיסה בתנאי השימוש המותרים.
הגדלת גודל החתך של טבעת ה-O היא הדרך הקלה ביותר להפחית את יחס הדחיסה, אך זה יגדיל את הגודל המבני. יש לציין שכאשר אנשים מחשבים את יחס הדחיסה, הם לרוב מתעלמים מהירידה בגובה החתך שנגרמה כתוצאה מתיחה של טבעת ה-O במהלך ההרכבה. השינוי בשטח החתך של טבעת O עומד ביחס הפוך לשינוי בהיקפו. במקביל, עקב השפעת המתח, תשתנה גם צורת החתך של טבעת ה-O, המתבטאת בירידה בגובהה. בנוסף, בגלל מתח פני השטח, המשטח החיצוני של טבעת ה-O הופך שטוח יותר, כלומר גובה החתך יורד מעט. זהו גם ביטוי של הרפיית מתח דחיסה של טבעת O.
מידת העיוות של קטע ה-O-ring תלוי גם בקשיות החומר O-ring. במקרה של אותה כמות מתיחה, לטבעת ה-O עם קשיות גבוהה תהיה גם הפחתה גדולה יותר בגובה החתך. מנקודת מבט זו, יש לבחור חומרים בעלי קשיות נמוכה ככל האפשר בהתאם לתנאי השימוש. בפעולת לחץ ומתח הנוזלים, טבעת ה-O-גומי תעבור בהדרגה דפורמציה פלסטית, וגובה החתך שלה יקטן בהתאם, כך שהיא תאבד בסופו של דבר את יכולת האיטום שלה.
הקשר בין טמפרטורה ותהליך הרפיה של טבעות O
טמפרטורת השירות היא גורם חשוב נוסף המשפיע על העיוות הקבוע של טבעת ה-O. טמפרטורות גבוהות יאיץ את ההזדקנות של חומרי גומי.
ככל שטמפרטורת הפעולה גבוהה יותר, כך מערך הדחיסה של טבעת ה-O גדול יותר. כאשר העיוות הקבוע גדול מ-40 אחוז, טבעת ה-O מאבדת את יכולת האיטום שלה ודולפת. ערך המתח הראשוני הנוצר בחומר הגומי של טבעת ה-O עקב עיוות דחיסה יקטן בהדרגה ואף ייעלם עם תהליך ההרפיה וירידת הטמפרטורה של הטבעת ה-O. עבור טבעות O הפועלות בטמפרטורות מתחת לאפס, הדחיסה הראשונית שלהן עשויה להיות מופחתת או להיעלם לחלוטין עקב ירידה חדה בטמפרטורה. ב--50 עד -60 מעלות, חומרי גומי שאינם עמידים לטמפרטורות נמוכות יאבדו לחלוטין את הלחץ הראשוני שלהם; אפילו עבור חומרי גומי עמידים לטמפרטורה נמוכה, הלחץ הראשוני בשלב זה לא יהיה גדול מ-25 אחוז מהלחץ הראשוני ב-20 מעלות. הסיבה לכך היא שהדחיסה הראשונית של טבעת ה-O תלויה במקדם ההתפשטות הליניארית. לכן, בבחירת הדחיסה הראשונית, יש לוודא שעדיין קיימת יכולת איטום מספקת לאחר ירידת הלחץ עקב תהליך ההרפיה וירידת הטמפרטורה. עבור טבעות O הפועלות בטמפרטורות מתחת לאפס, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת למדד ההתאוששות ולמדד העיוות של חומר הגומי.
לסיכום, התכנון צריך לנסות להבטיח של-O-ring יש טמפרטורת עבודה מתאימה, או לבחור בחומרי O-ring עמידים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה כדי להאריך את חיי השירות.
לחץ עבודה בינוני ועיוות קבוע הלחץ של מדיום העבודה הוא הגורם העיקרי הגורם לעיוות הקבוע של טבעת ה-O.
לחץ העבודה של ציוד הידראולי מודרני גדל מיום ליום. לחץ גבוה לטווח ארוך יגרום לעיוות קבוע של טבעת ה-O. לכן, יש לבחור חומרי גומי עמידים ללחץ בהתאם ללחץ העבודה במהלך התכנון. ככל שלחץ העבודה גבוה יותר, כך הקשיות ועמידות הלחץ הגבוהה של החומר המשמש צריכים להיות גבוהים יותר. על מנת לשפר את עמידות הלחץ של חומר ה-O-ring, להגביר את גמישות החומר (במיוחד להגדיל את גמישות החומר בטמפרטורה נמוכה), ולהפחית את מערך הדחיסה של החומר, בדרך כלל יש צורך לשפר את הנוסחה של החומר ולהוסיף חומר פלסטי. עם זאת, אם טבעת ה-O-עם הפלטה טבולה במדיום העבודה במשך זמן רב, החומר הפלסטיקי ייספג בהדרגה במדיום העבודה, מה שיגרום להתכווצות נפח ה-O-ring, ואף עלול לגרום לדחיסה שלילית של ה-O-ring. טבעת O (כלומר נוצר פער בין טבעת ה-O לבין פני השטח של החלק האטום).
לכן, בעת חישוב הדחיסה של טבעת ה-O ועיצוב התבנית, יש לקחת בחשבון באופן מלא את ההתכווצויות הללו. טבעת ה-O הלחוץ צריכה לשמור על הגודל הדרוש לאחר השרייה במצע העבודה במשך 5-10 ימים ולילות.
ערכת הדחיסה של חומרי טבעת O תלויה בטמפרטורה. כאשר קצב העיוות הוא 40 אחוז ומעלה, תתרחש דליפה, ולכן מגבלות עמידות החום של מספר חומרי גומי הם: גומי ניטריל 70 מעלות צלזיוס, גומי EPDM 100 מעלות צלזיוס, גומי פלואור 140 מעלות צלזיוס. לכן, מדינות קבעו תקנות בנושא דפורמציה קבועה של טבעות O.
עבור טבעות O מאותו חומר, באותה טמפרטורה, לטבעת ה-O עם קוטר חתך גדול יותר יש סט דחיסה נמוך יותר. בשמן המצב שונה. מאחר שטבעת ה-O אינה במגע עם חמצן בשלב זה, התגובות השליליות שהוזכרו לעיל מצטמצמות מאוד. בנוסף, זה בדרך כלל גורם להתרחבות מסוימת של תרכובת הגומי, כך שקצב סט הדחיסה הנגרם על ידי הטמפרטורה יתקזז. לכן, עמידות החום בשמן משתפרת מאוד. אם לוקחים גומי ניטריל כדוגמה, טמפרטורת העבודה שלו יכולה להגיע ל-120 מעלות ומעלה.