در استفاده از قطعاتی همانند اورینگ ها، عملکرد و طول عمر از جمله عواملی می باشد که برای مصرف کنندگان اهمیت دارد. به همین منظور، دانستن مواردی که بر این دو عامل تاثیر می گذارد مفید می باشد، یکی از این موارد حد فشردگی یا Compression Set است. این مقدار که به صورت درصدی بیان می شود، نشان دهنده مقداری است که انواع اورینگ از جمله اورینگ وایتون پس از فشرده شدن برای یک مدت زمان معین متحمل می شود. حد فشردگی اورینگ می تواند بر آب بندی، خواص مکانیکی، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر دما و … اورینگ تاثیر گذاشته و موجب کاهش این موارد شود. ما در این مقاله قصد داریم تا درباره محاسبه حد فشردگی اورینگ ها (Compression Set) و تاثیر در عملکرد آن بیشتر توضیح دهیم تا با داشتن درکی از این مورد به بهینه سازی عملکرد اورینگ ها کمک کنیم. شما عزیزان می توانید سوالات خود را درباره حد فشردگی اورینگ و تاثیر در عملکرد آن را با متخصصین ما در شرکت فنی مهندسی پارت پلیمر ملل در میان گذاشته تا پاسخ خود را دریافت کنید.

حد فشردگی (Compression Set) چیست

هنگامی که یک واشر فشرده می شود، مجبور است با شکل سطوح جفت شونده مطابقت داشته باشد تا به عنوان یک درزگیر عمل کند و از فرار مایعات یا گازها جلوگیری کند. با این حال، اگر فشرده سازی بیش از حد یا طولانی باشد، ممکن است انواع اورینگ از جمله اورینگ سیلیکون و وایتون ممکن است نتواند شکل و اندازه اصلی خود را پس از برداشتن فشار بازیابی کند. به همین منظور در آزمایشگاه ها اورینگ را در یک مدت زمان خاص تحت فشار می گذارند و فشاری که باعث تغییر شکل دائمی یا از دست دادن خاصیت ارتجاعی اورینگ شود را حد فشردگی یا Compression Set می نامند.

عوامل موثر در حد فشردگی اورینگ

عوامل متعددی می توانند بر Compression Set در حلقه های اورینگ nbr، وایتون، سیلیکون و غیره نقش داشته باشند. از جمله:

• دما

• فشار

• مدت زمان فشرده سازی

• جنس اورینگ

تاثیر دما بر حد فشردگی اورینگ

ضریب دما در حد فشردگی را می توان با تأثیر دما بر خواص فیزیکی مواد الاستومری توضیح داد. در دماهای بالاتر، ساختار مولکولی الاستومر تحرک بیشتری دارند که باعث می‌ شود مواد تغییر شکل داده و در هنگام فشرده شدن یک مجموعه دائمی به خود بگیرند. در زمان محاسبه حد فشردگی اورینگ ها باید به شرایط دمایی آن توجه کنید.

دمای انتقال شیشه ای (Tg) و حد فشردگی اورینگ

یکی از عوامل کلیدی که بر حساسیت دمایی یک ماده الاستومری تأثیر می گذارد، دمای انتقال شیشه ای (Tg) آن است. Tg دمایی است که در آن ماده از حالت صلب و شیشه ای به حالت نرم تر و لاستیکی تبدیل می شود. در دمایی بالای Tg، مواد انعطاف پذیرتر می شوند و می توانند به راحتی تغییر شکل دهند. در نتیجه، اورینگ هایی با مقادیر Tg پایین تر نسبت به فشرده سازی در دماهای بالاتر حساس هستند.

ضریب انبساط حرارتی و حد فشردگی اورینگ

عامل دیگری که بر حساسیت دمایی اورینگ ها تأثیر می گذارد، ضریب انبساط حرارتی آن ها است. این ضریب میزان انبساط یا انقباض مواد را هنگام قرار گرفتن در معرض تغییرات دما اندازه گیری می کند. واشرهای لاستیکی که ضریب انبساط حرارتی بالاتری دارند، احتمالا در دماهای بالاتر فشرده سازی را تجربه می کنند، زیرا در معرض گرما بیشتر مستعد تغییرات ابعادی هستند.

در نتیجه اورینگ هایی با مقادیر Tg پایین تر و ضریب انبساط حرارتی بالاتر بیشتر در معرض فشار در دماهای بالاتر هستند. در حالی که مدت زمان بیشتر فشرده سازی و فشار بیشتر، می تواند این اثر را تشدید کند.

تاثیر فشار بر حد فشردگی اورینگ

ضریب فشار در حد فشردگی را می توان با تأثیر فشار بر خواص فیزیکی مواد الاستومری توضیح داد. هنگامی که یک الاستومر فشرده می‌ شود، زنجیره‌ های مولکولی درون ماده به هم نزدیک تر می شوند و ماده شکل جدیدی به خود می گیرد. اگر فشار آزاد شود، ماده باید به شکل و اندازه اصلی خود بازگردد. با این حال، اگر فشار برای مدت طولانی یا در سطح بسیار بالا اعمال شود، ممکن است ماده نتواند شکل اولیه خود را بازیابی کند و در نتیجه فشرده سازی ایجاد شود.

سختی اورینگ و حد فشردگی آن

یکی از عوامل کلیدی که بر حساسیت فشار اورینگ ها تاثیر می گذارد، سختی آن ها است. سختی، میزان مقاومت یک ماده در برابر فرورفتگی یا تغییر شکل است. واشرهایی با مقادیر سختی بالاتر در برابر فشارهای بالا مقاومت بیشتری دارند، زیرا برای تغییر شکل به نیروی بیشتری نیاز دارند. با این حال، مواد سخت تر ممکن است شکننده تر، مستعد ترک خوردن یا شکستن تحت فشار شدید باشند.

استحکام کششی اورینگ و حد فشردگی آن

عامل دیگری که بر حساسیت فشار واشرها تأثیر می گذارد، استحکام کششی آن ها است. استحکام کششی معیاری است برای میزان نیرویی که یک ماده قبل از شکستن یا پاره شدن تحمل می کنند. اورینگ هایی با مقادیر استحکام کششی بالاتر در برابر فشارهای بالا مقاومت بیشتری دارند، زیرا می توانند نیروهای بیشتری را بدون تغییر شکل یا شکستن تحمل کنند. با این حال، فشرده سازی یا قالب گیری مواد با مقاومت کششی بالا ممکن است سخت‌ تر باشد.

تاثیر مدت زمان فشرده سازی بر حد فشردگی اورینگ

واضح است که دوره های فشرده سازی طولانی تر بیشتر از دوره‌ های کوتاه تر منجر به حد فشردگی بیشتر می‌ شود. این امر به این دلیل اتفاق می افتد که اورینگ زمان بیشتری برای تغییر شکل در هنگام قرار گرفتن در معرض فشار طولانی مدت دارند. مدت زمان فشرده سازی می تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی از جمله کاربرد و استفاده از مواد الاستومری باشد. به عنوان مثال در محیط های صنعتی، الاستومرها ممکن است به دلیل ماهیت کاربرد، در معرض دوره های طولانی فشرده سازی قرار گیرند. در موارد دیگر، مانند صنایع خودرو یا هوافضا، اورینگ ها ممکن است در معرض دوره های کوتاهی از فشردگی قرار گیرند و این عمل سریع انجام پذیرد. برای محاسبه حد فشردگی اورینگ ها باید مدت زمان فشرده سازی اورینگ را نیز بررسی کرد.

تاثیر جنس اورینگ بر حد فشردگی آن

ماده اولیه اورینگ نیز نقش بسزایی در تعیین حد فشردگی آن دارد. مواد مختلف دارای سطوح مختلف کشسانی و مقاومت در برابر فشار هستند که بر توانایی آن ها در حفظ آب بندی تحت فشار تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، لاستیک نیتریل دارای محدودیت تراکم کمتری نسبت به لاستیک سیلیکونی است، زیرا در برابر تغییر شکل مقاومت کمتری دارد. با انتخاب موادی با مقاومت بالا در برابر حد فشردگی، طراحان می توانند اطمینان حاصل کنند که اورینگ ها شکل و عملکرد خود را حتی در صورت قرار گرفتن در معرض فشارهای شدید حفظ می کنند.

مواد مختلفی برای اورینگ ها وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. با این حال، برخی از مواد دارای مقاومت فشرده سازی بهتری نسبت به سایرین دارند. در ادامه به موادی می پردازیم که بهترین حد فشردگی را دارند.

• وایتون (FKM)

• پرفلوئوروالاستومر (FFKM)

• مونومر اتیلن پروپیلن دی ان (EPDM)

• سیلیکون

با این حال، قبل از انتخاب جنس واشر ضروری است که عوامل دیگری مانند دما، مقاومت شیمیایی و الزامات محیطی در نظر گرفته شود.

محاسبه حد فشردگی اورینگ ها

محاسبه حد فشردگی اورینگ ها شامل اندازه گیری تفاوت بین ضخامت اصلی حلقه و ضخامت آن پس از فشرده شدن برای یک دوره زمانی خاص است. حد فشردگی به صورت درصد بیان می شود، که نشان دهنده میزان تغییر شکلی است که واشر متحمل شده است. برای محاسبه حد فشردگی اورینگ ها می توان مراحل زیر را انجام داد:

1. نمونه ای از آب بند تهیه کنید. نمونه باید نماینده مواد و ابعاد اورینگ هایی باشد که در کاربرد نهایی استفاده می شوند.

2. ضخامت اصلی و اولیه آب بند را با استفاده از یک میکرومتر یا کولیس اندازه گیری کنید. این اندازه گیری را به t0 ثبت کنید.

3. اورینگ را تا سطح فشار از پیش تعیین شده فشرده کنید. سطح فشار باید معرف شرایطی باشد که واشر قرار است در محیط نهایی تحت تاثیر آن قرار گیرد. به عنوان مثال، اگر آب بند در یک سیستم هیدرولیک تحت فشار ۱۰۰۰ psi کار می کند، سطح فشار آزمایش را تا این مقدار تعیین می کنیم.

4. واشر را برای مدت زمان از پیش تعیین شده، تحت فشار نگه دارید. مدت زمان فشرده سازی نیز باید معرف شرایطی باشد که اورینگ در کاربرد نهایی در معرض آن قرار می گیرد. به عنوان مثال، اگر واشر در یک سیستم هیدرولیک که به طور مداوم به مدت ۲۴ ساعت کار می کند، باید آزمایش را به مدت ۲۴ ساعت در فشار فشرده نگه ادامه داد.

5. فشار را از حلقه اورینگ بردارید و اجازه دهید به شکل اولیه خود را برگردد.

6. ضخامت آب بند را دوباره با استفاده از یک میکرومتر یا کولیس اندازه گیری کنید. این اندازه گیری را به عنوان t1 ثبت کنید.

7. محاسبه حد فشردگی اورینگ ها با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنید.

حد فشردگی (%) = [(t0 – t1) / t0] x 100

به عنوان مثال، اگر ضخامت اولیه ۰٫۵ اینچ باشد و پس از فشرده سازی به مدت ۲۴ ساعت در ۱۰۰۰ psi، ضخامت ثانویه آن ۰٫۴ اینچ اندازه گیری شود، حد فشردگی به صورت زیر خواهد بود:

 [(۰٫۵ – ۰٫۴) / ۰٫۵] x 100 = 20%

حد فشردگی ۲۰% به این معنی است که اورینگ تحت فشار دچار ۲۰% تغییر شکل شده است و پس از ۲۴ ساعت فشرده شدن در ۱۰۰۰ psi شکل اولیه خود را به طور کامل بازیابی نکرده است.

توجه به این نکته مهم است که آزمایش حد فشردگی باید بر روی نمونه ای از حلقه های اورینگ انجام شود که اطمینان حاصل شود نتایج دقیق و قابل اعتماد هستند. بعلاوه، انجام آزمایش های متعدد در سطوح مختلف فشار و مدت زمان تراکم برای درک کامل رفتار آب بند در شرایط مختلف توصیه می شود.

تاثیر حد فشردگی بر اورینگ

حد فشردگی می تواند به روش های مختلفی بر روی حلقه های اورینگ تاثیر بگذارد، از جمله:

قابلیت آب بندی: وظیفه اصلی اورینگ ایجاد آب بندی بین دو سطح جفت گیری است. هنگامی که واشر تحت فشار قرار می گیرد، ممکن است شکل اولیه خود را به طور کامل بازیابی نکند و در نتیجه توانایی آب بندی را از دست بدهد. قیمت اورینگ وایتون و سایر جنس های دیگر اورینگ بسته به میزان آب بندی که می توانند ایجاد کنند، متفاوت می باشد.

خواص مکانیکی: حد فشردگی می تواند بر خواص مکانیکی آب بند مانند استحکام کششی، ازدیاد طول در هنگام شکست و سختی آن نیز تأثیر بگذارد. هنگامی که اورینگ تحت فشار قرار می گیرد، ممکن است خاصیت ارتجاعی خود را از دست بدهد و در مقابل ترک خوردگی و پارگی مقاومت کمتری از خود نشان دهد.

مقاومت شیمیایی: یک اورینگ تحت فشار ممکن است بیشتر در معرض حمله شیمیایی قرار گیرد که این موضوع منجر به تخریب مواد و از دست دادن توانایی آب بندی می شود.

مقاومت در برابر دما: حد فشردگی می تواند بر مقاومت دمایی آب بند نیز تاثیر بگذارد. هنگامی که آب بند تحت فشار قرار می گیرد، ممکن است توانایی خود را برای مقاومت در برابر دماهای بالا از دست بدهد و منجر به تخریب حرارتی و از دست دادن توانایی آب بندی آن شود.

سوالات متداول در خصوص حد فشردگی اورینگ و تاثیر در عملکرد آن

چه عواملی در حد فشردگی حلقه های اورینگ تاثیرگذار است؟

حد فشردگی در اورینگ ها به عوامل مختلفی از جمله نوع ماده استفاده شده برای ساخت اورینگ، میزان فشار وارد شده به حلقه اورینگ، دما و مدت زمان فشرده سازی بستگی دارد.

حد فشردگی آب بندها چگونه اندازه گیری می شود؟

Compression Set یا حد فشردگی با فشرده کردن حلقه اورینگ به درصد خاصی از ضخامت اصلی آن و سپس اندازه گیری مقدار تغییر شکلی که پس از آزاد شدن فشرده سازی رخ می دهد، اندازه گیری می شود.

مقدار قابل قبول حد فشردگی اورینگ چقدر است؟

مقدار قابل قبول تعیین شده برای حد فشردگی در حلقه های اورینگ بسته به کاربرد آن ها متفاوت می باشد. به طور کلی، یک مجموعه فشرده سازی کمتر از ۲۰٪ برای اکثر برنامه ها قابل قبول در نظر گرفته می شود.

چگونه می توان حد فشردگی را در واشرهای آب بندی کاهش داد؟

با استفاده از موادی با مقاومت فشردگی بهتر، بهینه سازی طراحی سیستم آب بندی و استفاده از تکنیک های مناسب نصب می توان حد فشردگی را در حلقه های اورینگ کاهش داد. علاوه بر این، تعمیر و نگهداری منظم و جایگزینی حلقه های اورینگ فرسوده یا آسیب دیده نیز می تواند به کاهش حد فشردگی کمک کند.