Kako lahko oljne tesnilne obroče s kovinskim okvirjem za robotske gredi kompenzirajo motnje na ustnicah pri nizkih temperaturah?

Pri uporabi pri nizkih temperaturah, kot so robotske gredi, tesnilni obroči (radialni obroči) pogosto izkušajo puščanje olja, povečano obrabo pri zagonu in ustavljanju ter nestabilno tesnilno zmogljivost. Izkustva iz prakse kažejo, da te napake pogosto niso posledica nepravilne namestitve, temveč izgube učinkovite kompenzacije interference ustnice pri nizkih temperaturah.

V članku je analizirano, kako nizka temperatura vpliva na interferenco ustnice, ter predstavljene praktične konstrukcijske strategije za izboljšanje zanesljivosti tesnjenja pri hladnih obratovalnih pogojih.

Vpliv nizke temperature na interferenco ustnice

Tesnilni obroči se zanašajo na stabilen stik med tesnilno ustnico in površino gredi za preprečevanje puščanja. Pri nizkih temperaturah več skupnih učinkov povzroči sistematično poslabšanje tesnilne zmogljivosti:

Zamrzovanje gume

Ko se temperatura znižuje, se elastični modul elastomerov poveča, sposobnost materiala za prilagoditev pa zmanjša, kar zmanjšuje sposobnost ustnice, da sledi površini gredi.

Nesklad v termičnem razširjanju

Elastomeri, kovinske ohišja in gredi imajo različne stopnje toplotnega krčenja. Ta neskladnost spremeni dejanski interferenčni tlak in stikni tlak pri nizkih temperaturah.

Poslabšanje mazanja

Povečana viskoznost maziva zakasni oblikovanje oljnega filma ob zagonu, zaradi česar prehodno območje tesnenja vstopi v mejni ali mešani režim trenja ter pospeši obrabo.

Glavni problem torej ni le nezadosten interferenca, temveč tudi nesposobnost ustnice, da pri nizkih temperaturah neprekinjeno ustvarja učinkovit stikni tlak.

Racionalna določitev interferenca

Interferenco ustnice je treba optimirati glede na obratovalne pogoje (tlak, hitrost), lastnosti materiala in premer gredi.

Tipične priporočene vrednosti segajo od 0,35–0,55 mm, medtem ko določene aplikacije z visokimi obremenitvami zahtevajo do 0,8 mm.

Vendar ni priporočljivo slepo povečevati vmesništv. Prekomerno vmesništvo lahko poveča trenje navora, pospeši obrabo in poveča nastajanje toplote. Končne vrednosti je vedno treba preveriti s simulacijo in validacijskim testiranjem.

Izbira materiala: Osredotočenost na odpornost pri nizkih temperaturah

Ohranjanje tesnilne sile pri nizki temperaturi je odvisno predvsem od elastičnega povrnitvenega sposobnost in udarnosti materiala, ne le od imenovane »odpornosti na mraz«:

FVMQ

Primerno za zelo nizke temperature, ponuja dobro prožnost v kombinaciji z odpornostjo proti olju. Pogosto uporabljano v kovinskih robotih in sistemih, ki zahtevajo visoko prilagodljivost.

FKM, formuliran za nizke temperature

Uravnotežuje odpornost proti olju, odpornost proti staranju in izboljšano povrnitev pri nizkih temperaturah, primerno za tesnilne sisteme pri zmernih do nizkih temperaturah.

HNBR

Ponuja kompromis med elastičnostjo pri nizkih temperaturah in mehansko trdnostjo, pogosto uporabljeno pri zunanjih napravah in inženirskih strojih.

Ključni kriterij je, ali material zmore ohranjati učinkovito elastično obnovitev pri nizki temperaturi, ne le preživeti izpostavljenost mrzli.

Pomembni sistem: Kritični mehanizem kompenzacije

Ko se togost gume poveča pri nizki temperaturi, postane vzmet glavni vir kompenzacije stikalnega tlaka:

Dovolj učinkovit hod in stabilna sila vzmeti pri nizki temperaturi

Usklajeno deljenje obremenitve med vzmetjo in geometrijo ustnice

Za izredno hladna okolja se močno priporočajo konstrukcije ustnic s prstnastimi radialnimi vzmetmi

Primerno zasnovan pomembni sistem znatno izboljša tesnilno stabilnost, ko je elastičnost elastomera zmanjšana.

Strukturna optimizacija za prilagodljivost glede na temperaturo

Namesto povečanja interferenčne obremenitve je pogosto učinkovitejša strukturna optimizacija za izboljšanje zmogljivosti pri nizkih temperaturah:

Zmanjšan presek ustnice za izboljšano prožnost

Podaljšana elastična dolžina kraka za izboljšano sposobnost sledenja

Optimiziran stični kot za bolj enakomerno porazdelitev tlaka in zmanjšanje obrabe roba

Cilj oblikovanja je omogočiti tesnilnemu ustniku dinamično reagiranje, namesto da bi pasivno trpel izgubo zmogljivosti.

Stanje površine gredi: Odločilni dejavnik pri nizkih temperaturah

Ker je oblikovanje oljnega filma pri nizkih temperaturah težje, postane kakovost površine gredi še posebej pomembna:

Hrapavost površine nadzorovana v meji Ra 0,2–0,4 μm za uravnoteženje zadrževanja olja in prileganja

Uvedba mikrotekstur (npr. križnih vzorcev) za izboljšano mazanje ob zagonu

Izogibanje površinskim napakam, ki lahko povzročijo predčasno obrabo ustnika

Ustrezen pripravek gredi je bistven del zanesljivosti tesnjenja pri nizkih temperaturah.

Usklajevanje na ravni sistema: termalno usklajevanje in nadzor tolerance

Stabilno tesnjenje pri nizkih temperaturah zahteva pristop na ravni sistema:

Usklajeno toplotno krčenje komponent

Upoštevanje dopuščenih odstopanj sestave pod nizkimi temperaturnimi pogoji

Izbira maziv z ustreznimi lastnostmi pretakanja in lepljivosti pri nizkih temperaturah

Le s termomehansko usklajenostjo sistema lahko tesnilni ustrez ohranja enakomeren stiskalni tlak med obratovanjem.

Ključ uspešnega tesnjenja pri nizkih temperaturah ni prevelik preplet, temveč ustvarjenje tesnilnega sistema z notranjo temperaturno prilagodljivostjo.

Z integracijo optimiziranih materialov, geometrije ustresa, vzmetnih sistemov, oblike površine gredi in termičnega usklajevanja na ravni sistema je mogoče doseči zanesljivo tesnilno zmogljivost in podaljšano življenjsko dobo celo v zahtevnih pogojih nizkih temperatur.