O リングはシール手段として機能し、本質的に通路を遮断して、液体または気体などの流体の漏れや損失を防ぎます。 O リングは、通常はエラストマー材料から製造され、円形の断面を有する円形のリングです。シールは、グランドと呼ばれる空洞に O リングを配置することによって確立されます。グランドは O リングを圧縮するように作用し、クリアランスがゼロの状態を作り出し、流体の流れを効果的に遮断します。シール効果は、O リングの軸方向または半径方向の圧縮によって生じます。確実にシールするには、O リングと嵌合グランド表面の間の界面に連続的な「シール ライン」を形成する必要があります。この「シール ライン」の作成は、グランドの設計、O リングの断面、およびエラストマー材料の適切なレベルの圧縮の組み合わせの結果です。エラストマー O リングは、エンジニアが扱うほとんどの材料システムとは異なり機能します。適切な機能を達成するには、大幅に変形する必要があります。
O リングを使用すると、設計者はさまざまなシール設計のオプションを得ることができます。 O リングは、嵌合部品間に動きがない静的な状況と、機械部品が相互に移動する動的用途の両方で使用できます。
O リングを使用する基本的なシール設計には、ロッド シール、ピストン シール、面シールの 3 つがあります。 O リングがラジアル圧縮を使用して内径シールとなるように機械部品の内側に雌グランドが切断されている場合、それはロッド シールとみなされます。 Oリングがラジアル圧縮を利用した外径シールとなるように、機械部品の内側に雄グランドを切断した場合、ピストンシールとして分類されます。シールが軸方向の圧縮を利用する場合、それは面シールとみなされます。これらの各設計では、静的用途と動的用途の両方を考慮して、用途に最適なシールを実現するための設計代替案が数多くあります。
シール力の方向とグランドの向きに基づいて、3 つの基本タイプのシール設計を示す概略図。
O リングの破損は通常、シールされるように設計された流体の漏れとして現れます。最初に適切な O リング シールを実現し、満足のいく耐用年数にわたってそのシールを効果的に維持するには、次のことが重要です。
圧縮下での適切な変位と適切な公差の積み重ねを可能にする適切なグランド設計原則に従ってください。
用途や設計に応じて適切なサイズのOリングをご使用ください。
予想される機械的、熱的、化学的暴露に基づいて、適切な O リング材料を選択してください。
生産前シミュレーションと実際のテストを実行して、パフォーマンスを検証します。
O リングの取り付けについては、一般に認められている組み立て手順に従ってください。
故障モード
一般に、O リング シールは、O リング/グランドの設計の単純さと全体的な材料の弾力性により、特に信頼性が高いと考えられています。ただし、さまざまな状況下では障害が発生する可能性があります。 O リングの故障は、軽度の漏れから致命的な機器の故障まで多岐にわたります。規模に関係なく、O リングの故障は適切な視覚的分析技術によって診断できます。一般的な O リングの故障モードには次のようなものがあります。
ゴム製 O リング内の爆発的な減圧を表現。
過剰な圧縮永久歪
爆発減圧
設置時の損傷
摩耗
スパイラルツイスト
熱劣化
化学的影響
過圧縮
O リングが早期に故障する場合、それは通常、複数の要因が組み合わさった結果であり、単一の原因によるものではありません。あらゆる失敗と同様、パフォーマンスを左右する要因があります。 O リングに特有の、次の各要因には多くの潜在的な問題があります。
設計: 不適切なグランド設計と不適切なサイズの O リング。
材質: 予想される使用条件に基づいた O リング材質の選択が不適切。
製造: O リングのゴムの硬化が不十分、硬化が早すぎる、過度のパーティング ライン、材料のボイドまたは異物。
組み立て: 挿入により O リングがねじれたり裂けたりする。
使用条件: 過度の熱への曝露、極度のストレスまたは圧力の印加、攻撃的な化学物質への予期せぬ曝露。
O リング シールの用途のパフォーマンスに大きな影響を与える重要な特性が多数あります。 O リング システムの短期的なシール特性と長期的な耐久性および故障回避の品質は、これらの要素に基づいています。
ストレッチ
効果的なシールを実現するには、O リングがわずかに伸びてぴったりとフィットするように、O リングの内径が相手コンポーネントの直径より小さくなければなりません。伸縮率は 1% ～ 5% である必要がありますが、ほとんどの用途では 2% ～ 3% が理想的です。 O リングが伸ばされると、その断面は縮小され、平らになります。 O リングの内部応力により老化が促進され、ほとんどの O リング素材の寿命が短くなるため、組み立て後の伸びが 5% を超えることはお勧めできません。一方、伸縮性が不十分だとフィット感が緩くなり、漏れの可能性が高くなります。
絞る
O リングの圧搾は、グランドの構成によって生じるたわみの結果として生じる断面の厚さの圧縮減少として定義されます。 O リングは、断面がたわむと元の圧縮されていない形状に戻ろうとする傾向があり、これが O リングが優れたシールを実現する基本的な理由です。このため、O リング シールの設計では絞りが重要な考慮事項となります。絞りはグランドの形状と O リングの断面によって決まります。これは、溝の底の表面とグランドアセンブリのもう一方の嵌合部品の表面の間の O リングの断面直径方向の圧縮を表します。
静的シールとして使用する場合、ほとんどのエラストマーで推奨される最大圧縮率は 30% です。 30% を超える圧搾は、余分な応力が発生してシールが早期に劣化する可能性があるため危険です。すべてのシールの最小絞りは、断面に関係なく、約 0.2 mm である必要があります。絞りが不十分だと O リングの漏れが発生する可能性があるため、ほとんどのアプリケーションは絞りが「なし」または「ゼロ」の状態では満足のいく性能を発揮できません。
グランドフィル
グランド充填率は、取り付けられた状態でグランド内に閉じ込められたときに O リングの断面が変位するグランド容積のパーセンテージです。 O リングの断面とグランドのサイズによって、グランドの充填量が決まります。ほとんどの O リング シールの用途では、利用可能な体積の 60% ～ 85% のグランド充填が必要ですが、最適な充填量は通常 75% (空隙の 25% に相当) です。エラストマー シーリング グランドには少なくとも 10% の空隙を許容することが重要です。これにより、O リングに過剰な応力がかからず、シールを作成するために必要な形状に適合します。
表面仕上げ
一般に、静的シールのシール面では表面粗さの値が 32 マイクロインチ (32 rms) を超えないようにすることが推奨されます。これは腺の内部の表面を意味します。また、粗さの種類と連続した凹凸の有無も重要です。 O リングを横切る傷や隆起は、O リングがこれらの表面の凹凸を適切に貫通して密閉しない可能性があるため、漏れ経路を引き起こす可能性があります。
組み立て
O リングが溝に正しく配置され、グランド アセンブリが閉じられているときに損傷しないように、組み立ては細心の注意を払って行う必要があります。この重要な側面の 1 つは、組み立て中に溝に到達するために必要な内径の拡張です。この膨張は、選択した O リング ゴム コンパウンドの極限伸びの 50% を超えてはなりません。
また、組み立て中に O リングをねじらないようにすることが重要です。これにより、O リング エラストマーに過剰な応力が生じる可能性があります。さらに、O リングを、保護されていない鋭利な角、ネジ山、スロット、スプライン、ポート、またはその他の鋭利なエッジに押し付けないでください。グランドアセンブリを閉じると、溝の角で O リングが挟まれないようにしてください。腺の閉鎖は、まっすぐな長手方向の動きによって達成されるべきである。回転運動や振動運動は、バンチング、位置ずれ、シールの挟み込みや切断を引き起こす可能性があるため、望ましくありません。
Oリング材質
O リングの材質を選択する際には、主に加えられる圧力、シールが動作する温度範囲、シールされる化学流体などのいくつかの要素を考慮することが重要です。通常、O リングに課せられる多数の要件のバランスをとることは難しく、最良の場合の妥協が生じる可能性があります。 O リング用途に使用される材料のほとんどはエラストマーであり、ブロック共重合体をベースにした熱硬化性ゴムコンパウンドと熱可塑性エラストマーが最も一般的です。 O リングを使用した設計の利点の 1 つは、機能的で耐久性のあるシール システムを提供するために、幅広いエラストマー材料から O リングを製造できることです。多くの場合、材料選択基準の数と多様性はシステム設計者によって見落とされることが多く、早期の故障につながる可能性があります。適切な O リング材料を選択する際には、次の考慮事項と材料特性に注意を払う必要があります。
化学的適合性
熱抵抗と劣化
低温回復力
耐摩耗性および耐摩耗性
圧縮および張力の永久歪み
ストレス緩和
引裂き抵抗
熱膨張係数
圧縮率と圧縮弾性率
多くの場合、O リングの材料はデュロメータ硬度のみに基づいて選択されますが、これはエラストマー材料の短期および長期の機械的特性を予測するのに不十分な場合があります。
もう 1 つの潜在的な懸念事項は、O リングがプラスチック部品と組み合わせて使用される場合です。エラストマー材料、特にゴムには、大量の可塑剤と油が配合されることがよくあります。このような油、特にフタル酸エステル、アジピン酸エステル、トリメリット酸エステルを含むエステルベースの油は、強力な環境ストレスクラック（ESC）剤として作用する可能性があります。
Oリングの品質
O リングの品質は、シーリング システムの全体的な性能に比較的大きな影響を与えます。これには、ゴム配合物の適切な混合と O リングの一貫した成形が含まれます。圧縮永久歪み、弾性率、硬度、引張強さなどのゴムの特性はすべて、混合および成形操作によって直接影響を受けます。良好な一貫性が達成されることが重要です。さらに、パーティング ラインのバリの許容レベルに関する推奨事項もあります。通常、これは 0 です。00幅 5 インチ、高さ 0.003 インチです。さらに、O リングの偏心は最大 0.05 mm である必要があります。
結論
O リングは、コンポーネントやアセンブリの設計と製造に関しては古い技術であると考えられます。デザインも機能も比較的シンプルで、19世紀初頭から印鑑として利用されてきました。ただし、シーリング用途で効率的に機能する理由は、そのシンプルさです。過去 120 年間にエンジニアリング、設計、製造に大きな変化が生じましたが、O リングの形状と機能は基本的に変わっていません。 O リングは、これまでも、そしてこれからも、シンプルでありながら効果的で多用途なシール ソリューションであり続けます。