O-링 밀봉 원리

O-링의 밀봉 원리

O-링이라고도 알려진 O-링은 원형 단면을 가진 고무 링입니다. 유압 및 공압 시스템에서 가장 널리 사용되는 씰입니다. O-링은 뛰어난 밀봉 특성을 제공하며 정적 및 왕복 씰 모두에 사용할 수 있습니다. 독립적으로 사용할 수 있으며 많은 모듈식 밀봉 시스템의 기본 구성 요소입니다. 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 재료를 적절하게 선택하면 다양한 작동 조건의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 작동 압력은 1.333 × 10⁵Pa의 진공에서 400 MPa의 고압까지, 온도는 -60°C에서 200°C까지입니다.

다른 씰 유형과 비교하여 O-링은 다음과 같은 장점이 있습니다.

1) 작은 크기, 조립 및 분해가 용이합니다.

2) 정적 및 동적 밀봉 모두에 사용할 수 있으며, 정적 씰로 사용 시 누출이 거의 없습니다.

3) 단일 O-링은 양방향 밀봉을 제공합니다.

4) 낮은 동적 마찰.

 

O-링은 압출 씰의 일종입니다. 기본 작동 원리는 씰 요소의 탄성 변형에 의존하여 밀봉 표면에 접촉 압력을 생성하는 것입니다. 접촉 압력이 밀봉된 매체의 내부 압력을 초과하면 누출이 발생하고, 그렇지 않으면 누출이 발생합니다. 정적 씰과 동적 씰의 밀봉 표면에 대한 접촉 압력의 원인과 계산 방법은 다르므로 별도의 설명이 필요합니다.

1. 정적 씰의 밀봉 원리

O-링은 정적 씰에 가장 널리 사용됩니다. 올바르게 설계하고 사용하면 O-링은 누출이 없는 절대적인 밀봉을 달성할 수 있습니다.

O-링을 밀봉 홈에 설치한 후 단면은 접촉 압축 응력을 받아 탄성 변형을 일으킵니다. 이로 인해 접촉 표면에 특정 초기 접촉 압력 Po가 생성됩니다. 압력이 없거나 매우 낮은 압력에서도 O-링은 자체 탄성력으로 인해 밀봉을 유지합니다. 가압된 매체가 챔버에 들어가면 O-링은 매체 압력의 영향으로 저압 측으로 이동하여 탄성 변형을 더욱 증가시켜 틈 δ를 채우고 닫습니다. 이 시점에서 밀봉 쌍의 접촉 표면에 대한 접촉 압력은 Pm으로 상승합니다.
 

Pm=Po+Pp

여기서 Pp는 O-링을 통해 접촉 표면으로 전달되는 접촉 압력(0.1 MPa)입니다.

Pp=K·P

K는 압력 전달 계수이며, 고무 O-링의 경우 K=1입니다.

P는 밀봉된 유체의 압력(0.1 MPa)입니다.

이것은 밀봉 효과를 크게 향상시킵니다. K는 일반적으로 ≥ 1이므로 Pm>P입니다. 따라서 O-링에 초기 압력이 있는 한 누출이 없는 절대적인 밀봉을 달성할 수 있습니다. O-링이 매체 자체의 압력에 의존하여 O-링의 접촉 상태를 변경하고 밀봉을 달성하는 이러한 특성을 자기 밀봉이라고 합니다.

이론적으로 압축 변형이 0이더라도 유압 하에서 밀봉할 수 있습니다. 그러나 실제로는 O-링이 설치 중에 편심될 수 있습니다. 따라서 O-링을 밀봉 홈에 설치한 후 단면은 일반적으로 7%-30%의 압축 변형을 경험합니다. 정적 씰에는 더 높은 압축비를 사용하고 동적 씰에는 더 낮은 압축비를 사용합니다. 이는 합성 고무가 저온에서 압축되기 때문에 정적 O-링의 사전 압축이 저온 수축을 고려해야 하기 때문입니다.

 

2. 왕복 운동 씰의 밀봉 원리

왕복 운동 씰은 유압 및 공압 부품 및 시스템에서 흔히 사용되는 밀봉 요구 사항입니다. 왕복 운동 씰은 동력 실린더 피스톤 및 실린더 본체, 피스톤-실린더 삽입 및 실린더 헤드, 다양한 유형의 슬라이딩 밸브에 사용됩니다. 원통형 로드와 원통형 보어 사이에 틈이 형성되며, 그 안에서 로드가 축 방향으로 움직입니다. 씰은 유체의 축 방향 누출을 제한합니다. 왕복 운동 씰로 사용될 때 O-링의 사전 밀봉 및 자기 밀봉 특성은 정적 씰의 특성과 유사합니다. 또한 고유한 탄성으로 인해 O-링은 마모를 자동으로 보상할 수 있습니다. 그러나 액체 매체를 밀봉할 때 로드 속도, 액체 압력 및 점도의 영향으로 인해 상황이 정적 씰보다 더 복잡합니다.

액체가 가압되면 액체 분자가 금속 표면과 상호 작용합니다. 오일의 극성 분자는 금속 표면에 촘촘하고 균일하게 정렬되어 슬라이딩 표면과 씰 사이에 강한 경계막을 형성하여 슬라이딩 표면에 강한 접착력을 발휘합니다. 이 액체막은 항상 씰과 왕복 표면 사이에 존재하여 일정 정도의 밀봉을 제공하고 움직이는 밀봉 표면을 윤활하는 데 중요합니다. 그러나 누출에는 해롭습니다. 왕복 샤프트를 바깥쪽으로 당기면 샤프트의 액체막이 함께 당겨집니다. 씰의 "닦기" 작용으로 인해 왕복 샤프트가 후퇴할 때 이 액체막이 밀봉 요소에 의해 바깥쪽에 유지됩니다. 왕복 스트로크 수가 증가함에 따라 더 많은 액체가 바깥쪽에 유지되어 결국 오일 방울을 형성하며, 이는 왕복 씰에서 누출을 나타냅니다. 유압 오일의 점도는 온도가 증가함에 따라 감소하므로 오일막 두께가 그에 따라 감소합니다. 따라서 유압 장비를 저온에서 시작하면 움직임 시작 시 누출이 더 큽니다. 움직임 중 다양한 손실로 인해 온도가 상승함에 따라 누출은 점차 감소하는 경향이 있습니다.

O-링은 왕복 씰로서 컴팩트하고 크기가 작으며 주로 다음 용도로 사용됩니다.

1) 저압 유압 부품, 일반적으로 짧은 스트로크 및 약 10 MPa의 중간 압력으로 제한됩니다.

2) 소구경, 짧은 스트로크, 중간 압력 유압 스풀 밸브.

3) 공압 스풀 밸브 및 실린더.

4) 결합된 왕복 씰의 탄성체로 사용.

O-링은 공압 실린더 및 스풀 밸브와 같은 왕복 부품과 같이 작은 직경, 짧은 스트로크 및 저압에서 중간 압력에 가장 적합합니다. 유압 부품에서 O-링을 주요 동적 씰로 사용하는 것은 일반적으로 짧은 스트로크와 약 10 MPa의 중간 압력으로 제한됩니다. O-링은 매우 낮은 속도의 왕복 씰 또는 고압 왕복 응용 분야의 유일한 씰로 적합하지 않습니다. 이는 주로 이러한 조건에서 높은 마찰로 인해 씰이 조기에 고장날 수 있기 때문입니다. 모든 응용 분야에서 씰은 정격 데이터 또는 용량에 따라 사용하고 적절하게 조립하여 만족스러운 성능을 달성해야 합니다.

 

3. 회전 씰

오일 씰과 기계적 씰은 일반적으로 회전 씰에 사용됩니다. 그러나 오일 씰은 더 낮은 압력에서 작동하고 O-링보다 크고 복잡하며 제조가 덜 용이합니다. 기계적 씰은 고압(40 MPa), 고속(50 m/s) 및 고온(400°C)에서 작동할 수 있지만, 더 복잡하고 부피가 큰 구조와 높은 비용으로 인해 석유 및 화학 산업의 중장비에만 적합합니다.

회전 응용 분야에서 O-링의 주요 문제는 줄 열입니다. 고속 회전 샤프트와 O-링 사이의 접촉점에서 발생하는 이 마찰열은 이러한 접촉점의 온도를 지속적으로 상승시켜 고무 재료를 심하게 변형시키고 압축 및 신율의 변화를 일으킵니다. 이 열은 또한 밀봉 재료의 노화를 가속화하여 O-링의 수명을 단축시킵니다. 또한 밀봉 오일막을 파괴하여 오일 파손을 일으키고 씰 마모를 가속화합니다.
 

위의 상황을 바탕으로 최근 국내외에서 회전 운동용 O-링에 대한 광범위하고 심도 있는 연구가 진행되었습니다. 줄 열을 피하려면 고무의 특성, 주로 O-링의 신율 및 압축비를 기반으로 O-링 구조 매개변수를 올바르게 선택하는 것이 중요합니다. 실험 연구에 따르면 회전 운동용 O-링은 내경이 회전 샤프트 직경과 같거나 약간 더 크게, 일반적으로 3%에서 5% 더 크게 설계해야 합니다. 설치하는 동안 O-링은 내경에서 안쪽으로 압축되며 단면 압축은 최소로, 일반적으로 약 5%로 설계됩니다. 또한 열적 영향이 최소화된 밀봉 재료를 가능한 한 사용하고 O-링 설치 부위에서 적절한 열 분산을 고려합니다. 이는 O-링의 성능을 크게 향상시켜 최대 4 m/s의 속도로 회전 샤프트를 밀봉하는 데 사용할 수 있도록 합니다.

최근에는 내열성 불소 고무와 내마모성 폴리우레탄 고무가 등장했으며, 고무 부품의 줄 열 효과에 대한 더 깊은 이해를 바탕으로 이 문제를 해결하기 위한 솔루션이 개발되어 고속, 고압 회전 운동에 더 적합한 새로운 O-링 밀봉 구조를 설계하게 되었습니다.

O-링은 작은 크기, 단순한 구조, 저렴한 비용, 우수한 공정 성능 및 광범위한 응용 분야로 인해 회전 운동 밀봉 장치에 널리 사용됩니다.