Alles over O-ringen: van basis tot geavanceerde toepassingen

O-ringen zijn veelzijdige afdichtingen, meestal van elastomeer, maar ook verkrijgbaar in materialen als PTFE of metaal, met een tweerichtings-, cirkelvormig ontwerp. Zij werken door vervorming van hun materiaal onder installatie- en mediadruk om spleten tussen tegendelen doeltreffend af te dichten.

Deze afdichtingen zijn echter niet ongevoelig voor problemen. Hoge systeemdrukken kunnen leiden tot een verschijnsel dat bekend staat als extrusie, waarbij het afdichtingsmateriaal in de spleet vervormt met als gevolg dat de afdichting niet voldoet. Dit probleem kan worden ondervangen door hardere afdichtingsmaterialen te gebruiken of steunringen aan te brengen.

De kracht van een O-ring ligt in zijn vermogen zich onder druk te gedragen als een zeer viskeuze vloeistof, waardoor een positieve barrière ontstaat tegen het medium waarvoor hij is ontworpen. Deze unieke eigenschap, in combinatie met het vermogen om na doorbuiging terug te keren naar de oorspronkelijke vorm, maakt O-ringen van onschatbare waarde bij afdichtingstoepassingen.

Bovendien kan de O-ring zich door het elastomeer aanpassen aan variaties in de eenheidstolerantie, zodat de afdichting gehandhaafd blijft. De indrukking, oftewel de compressiegraad, is een cruciale factor in het ontwerp van O-ring afdichtingen. Voor O-ringen met kleinere doorsneden is een hogere mate van indrukking nodig om de grotere toleranties van de groefafmetingen te compenseren.

O-ringen zijn geschikt voor zowel statische als dynamische toepassingen. Een afdichting die niet beweegt, behalve door pulsatie veroorzaakt door cyclusdruk, wordt een statische afdichting genoemd.

Bosstail De O-ring wordt gebruikt voor het afdichten van rechte draadfittingen in een 'boss'.

Een boss is een cylindrische projectie op een gietstuk of smeedstuk. Het einde van die projectie wordt bewerkt om een vlak, glad oppervlak te garanderen voor het afdichten.

Rechte draden die gebruikt worden met een O-ring zorgen voor een betere afdichting dan wanneer enkel conische draden worden gebruikt.

Dynamische afdichtingen zijn afdichtingen die onderhevig zijn aan bewegingen. Deze worden verder gedefinieerd als heen- en weergaand (afdichtingen die blootstaan aan een lineaire beweging), roterend (stationaire afdichtingen die blootstaan aan een draaiende as) en oscillerend.

Berekening van de groef en de maat van de O-ring

Het is belangrijk te weten hoe diep en breed de groef is waarin de O-ring wordt geplaatst. Anders kan de maat van een O-ring niet goed worden bepaald. Meestal heb je de groef voor de O-ring al berekend voordat je een O-ring kiest.

Het volgende is belangrijk om te overwegen bij het berekenen van de maat en de groef van de O-ring:

Zorg ervoor dat de breedte van de groef groter is dan de diepte, d.w.z. dat de groef rechthoekig is en niet vierkant. Een O-ring wordt namelijk meestal van bovenaf (axiaal) in de groef gedrukt. Aangezien een O-ring niet samendrukbaar, maar vervormbaar is, moet hij zijn volume kwijt kunnen. Vrije ruimte in de groef is dus essentieel. Als de groef niet breed genoeg is, wordt de O-ring vierkant gedrukt en verliest het materiaal afdichtend vermogen.

De doorsnede van de O-ring moet minimaal 15% kleiner zijn dan de ruimte van de groef. Als deze marge kleiner is, neemt de kans op schade aan de O-ring toe.

Lees meer over Bepalen van de juiste o-ring afmetingen voor je toepassing
 

Hoe bereken je de diepte van de O-ring groef. De groefdiepte bepaalt de compressie van de O-ring. Neem altijd de tussenruimte (vrije ruimte) mee in je berekeningen. Een O-ring groef moet rechthoekig zijn.

Wil je zelf de maat van de O-ring en de groef berekenen?

De O-ringcalculator zal je helpen bij het berekenen van de maten van de O-ring en groef.

Een belangrijke overweging bij het kiezen van de juiste O-ring is de indrukking, oftewel compressiegraad. Een te hoge compressiegraad kan leiden tot schade, terwijl een te lage compressiegraad ervoor zorgt dat de O-ring onvoldoende afdicht.

Overigens moet compressiegraad niet worden verward met de term Compression Set. De compressiegraad geeft de vervorming van de O-ring aan, terwijl de Compression Set het elastische geheugen van het materiaal aangeeft.

De aanbevolen indrukking is 15 tot 25% bij statische toepassingen. In vacuümtoepassingen kan de druk nog hoger zijn. Indrukken met meer dan 25% levert extra spanning op voor een O-ring. Dit kan leiden tot vroegtijdige beschadiging.

Bij dynamische toepassingen is de aanbevolen compressiegraad 8 tot 16%. Door frictie en slijtage worden kleinere doorsneden tot 20% ingedrukt.

Rubbermaterialen of elastomeren die in afdichtingstoepassingen worden gebruikt, worden vaak omschreven als compounds. Dit betekent dat zij een mengsel zijn van ingrediënten die onder specifieke omstandigheden zijn vervaardigd. Een compound bestaat doorgaans uit een polymeer, een cross-link systeem, vulstoffen en andere ingrediënten die worden gebruikt om aan specifieke productie-, toepassings- of kosteneisen te voldoen.

De basis van het compoundontwerp vormt de keuze van het polymeertype. Aan het elastomeer kan een fabrikant versterkingsmaterialen toevoegen, zoals gasroet, gekleurde pigmenten, uithardings- of vulkanisatiemiddelen, activeringsmiddelen, plastificeermiddelen, versnellers, antioxidanten of anti-radiatieadditieven. Er kunnen honderden van dergelijke combinaties plaatsvinden.

Verschillende omstandigheden vereisen verschillende compoundeigenschappen. Dit is waarom zoveel verschillende compounds zijn ontwikkeld. Wij hebben onze compounds ingedeeld in standaard- (algemeen gebruik), gespecialiseerde (industrie- of toepassingsspecifieke) en hoge prestatie soorten.

Een van de meest genoemde eigenschappen van polymeermaterialen is de hardheid. Hardheid is de weerstand van een massa tegen indringing van een nog hardere massa met een standaardvorm bij een vastgestelde druk.

Er zijn twee procedures om de hardheid te testen met betrekking tot testmonsters en eindproducten van elastomeermaterialen:

Shore A / D overeenkomstig ISO 868, ISO 7619-1, ASTM D 2240 De meeste elastomeren worden gemeten aan de hand de Shore A-schaal. Een Shore A hardheid van 35 is zacht; 90 is hard. Shore D-metingen worden aanbevolen wanneer de Shore A-waarde meer dan 90 bedraagt.

Durometer IRHD (International Rubber Hardness Degree) overeenkomstig ISO 48, ASTM 1414 en 1415

Hoe zachter het elastomeer, hoe beter het afdichtingsmateriaal zich aanpast aan de te dichten oppervlakken en hoe minder druk nodig is om een afdichting tot stand te brengen. Dit is vooral belangrijk bij lagedrukafdichtingen die niet door vloeistofdruk worden geactiveerd. Hoe zachter het elastomeer, hoe hoger de frictiecoëfficiënten.

Bij dynamische toepassingen zijn de werkelijke waarden van de doorloop- en uitbreekfrictie van een hardere compound met lagere frictiecoëfficiënten echter hoger, omdat de lading die nodig is om het hardere materiaal in de groef van de O-ring te drukken veel groter is.

Hoe zachter het elastomeer, hoe groter het risico dat bij hoge werkingsdruk het elastomeer van de O-ring in de spleet tussen de parallelle afdichtingsvlakken uitlopen.

De hardere materialen bieden een grotere weerstand tegen stroming. Naarmate de temperatuur toeneemt, worden elastomeren eerst zachter en uiteindelijk harder naarmate het verhardingsproces van het rubber door de toepassing van hitte wordt voortgezet.

Deze informatie is slechts een richtlijn. Chemische compatibiliteitslijsten moeten worden geraadpleegd, zoals de ERIKS Rubber Chemical Resistance Guide

Waar mogelijk moet de vloeistofcompatibiliteit van de O-ringcompound de classificatie "A" krijgen. Voor een statische afdichting is een classificatie "B" gewoonlijk aanvaardbaar, maar deze moet worden getest. Wanneer een "B" compound moet worden gebruikt, moet je er rekening mee houden dat deze niet opnieuw kan worden gebruikt na demontage. Het kan zo gezwollen zijn dat het niet meer gemonteerd kan worden. Wanneer een compound met de classificatie "C" moet worden uitgeprobeerd, moet je ervoor zorgen dat deze eerst onder alle gebruiksomstandigheden wordt getest.

Het is ook bijzonder belangrijk om afdichtingscompounds onder gebruiksomstandigheden te testen wanneer een sterk zuur bij hoge temperaturen moet worden gezegeld, omdat de mate van afbraak van rubber bij hoge temperaturen vele malen groter is dan de mate van afbraak bij kamertemperatuur.

• NBR - acrylonitril butadieen, nitril of buna N
• HNBR - gehydrogeneerd nitril of sterk verzadigd nitril
• XNBR - nitril met carboxylaten
• NBR/PVC - nitril/PVC-resin blend
• EPM, EPDM - ethyleen propyleen, en ethyleen propyleen dieen rubber
• CR - neopreenrubber polychloropreen
• VMQ - siliconenrubber
• FVMQ - fluorsilicone
• AU, EU - polyurethaan rubber
• FKM - fluorkoolstofrubber
• FFKM - perfluorkoolstoffen
• Teflon®-FEP/PFA
• TFE/P (Aflas®) (FEPM)

Belangrijk om te overwegen bij het kiezen van het juiste afdichtingsmateriaal:

• De primaire vloeistoffen die de O-ring of Quad-Ring®/X-ring moeten afdichten
• Andere vloeistoffen waaraan de afdichting zal worden blootgesteld, zoals reinigingsvloeistoffen of smeermiddelen
• De geschiktheid van het materiaal voor de extreme temperaturen van de toepassing, zowel warm als koud
• De aanwezigheid van schurende externe verontreinigingen
• Het smeren van de afdichtingen en koppelstukken met een geschikt smeermiddel voordat je de eenheid monteert

Rubber is een veelvuldig gebruikt materiaal voor O-ringen. Door de flexibiliteit van het materiaal kan het veel verschillende vormen aannemen. En zijn diverse eigenschappen maken het geschikt voor gebruik in allerlei toepassingen. De juiste keuze van het rubbermateriaal is essentieel om lekkage of andere mogelijke schade te voorkomen. Daarbij zijn vier factoren van groot belang: medium, druk, temperatuur en tijd.

• Medium - Elk rubbermateriaal reageert anders op de vloeistoffen waarmee het in contact komt. Daarom moet je bij de keuze van het juiste rubber rekening houden met alle media waarmee het materiaal in contact komt, waaronder bijvoorbeeld schoonmaakmiddelen.
• Temperatuur - In sommige productieomgevingen heersen (extreem) lage of hoge temperaturen. Is het rubber van de O-ring hiertegen bestand?
• Druk - Het is belangrijk precies te weten hoe de druk wordt opgebouwd binnen de toepassing waarin de O-ring zal worden gebruikt. Dat komt omdat niet elk rubbermateriaal bestand is tegen (langdurige) hoge druk. De hardheid van het gekozen materiaal speelt daarbij een belangrijke rol.
• Tijd - Hoe lang de O-ring moet afdichten is ook belangrijk. Voor de keuze van het juiste rubbermateriaal is het een groot verschil of de afdichting slechts een half uur per dag moet functioneren of continu moet presteren.

Goede montage voorkomt schade aan de O-ring. Let daarom bij de montage altijd op de volgende aspecten:

• Smering (olie of vet)
• Rek en stuik
• Goede montageset
• Smering (olie of vet)

Het gebruik van (montage)vet maakt het monteren van een O-ring in veel gevallen gemakkelijker. Het vermindert de frictie tussen de O-ring en de delen waar de ring tussen zit. Dit maakt het gemakkelijker om de O-ring in de groef te plaatsen.

Smering verlengt ook de levensduur van de O-ring, omdat het een beschermlaag vormt. Een dun laagje mineraalolie, vet, siliconenolie of applicatievloeistof is vaak voldoende. Zorg ervoor dat de gebruikte rubbersoort bestand is tegen het gebruikte vet. Zo is een VMQ (siliconen) rubber niet compatibel met siliconenvet. Aangezien zowel het rubber als het vet dezelfde structuur hebben, kan de olie door de O-ring worden opgenomen en zwelling en schade veroorzaken.

Lijm in elk geval nooit een O-ring in de groef. Een O-ring moet vrij in de groef kunnen bewegen en kunnen uitzetten.

Een O-ring is soms kleiner of groter dan de groef waarin hij is geplaatst. Aangezien rubber een elastisch materiaal is, is dit niet per se een probleem. Het kan zelfs een bewuste keuze zijn vanwege de groef of de beschikbaarheid van de O-ring. Rustig rekken of stuiken van de binnendiameter (ID) kan dit oplossen en is ook toegestaan. De rek van de ID mag echter nooit meer dan 5% zijn. De rek mag niet meer dan 3% zijn. Voor beide marges geldt dat het hier gaat om de gemonteerde toestand.

Tijdens de montage kan een O-ring worden uitgerekt. Aanbevolen wordt om de O-ring voorzichtig uit te rekken tot maximaal 50%. Geef de O-ring vervolgens de tijd om naar zijn oorspronkelijke vorm terug te keren voordat de toepassing in gebruik wordt genomen. Dit hangt af van verschillende factoren, waaronder het materiaal, de toepassing en omgevingsinvloeden (zoals temperatuur). Voorts zijn sommige materialen elastischer dan andere; een voorbeeld van een elastisch materiaal is VMQ.

Het verkeerde gereedschap veroorzaakt montageschade. Vermijd scherpe delen die de O-ring kunnen beschadigen. Gebruik een O-ring montageset bij het installeren of verwijderen van O-ringen. Zo kun je O-ringen gemakkelijker installeren en verwijderen, zonder schade te veroorzaken. Let ook op dat je de O-ring niet te veel uitrekt of verdraait tijdens de installatie.

De houdbaarheid is de maximale periode, te rekenen vanaf het tijdstip van vervaardiging, dat een elastomeer afdichtingselement, op passende wijze verpakt, onder specifieke omstandigheden mag worden opgeslagen. Na deze periode wordt de O-ring als onbruikbaar beschouwd voor het doel waarvoor hij oorspronkelijk is vervaardigd. Het tijdstip van vervaardiging is de datum van uitharding voor thermohardende elastomeren of het tijdstip van omzetting in een eindproduct voor thermoplastische elastomeren. De houdbaarheid van elastomeren bij correcte opslag wordt vooral bepaald door de specifieke compound.

• NBR, SBR of BR bijvoorbeeld hebben een houdbaarheid tot 5 jaar.
• CSM, EPDM of EPM kunnen tot 10 jaar worden bewaard.
• FMK, ACM of FVQM zijn tot 20 jaar houdbaar.

De houdbaarheid van verschillende elastomeren verschilt volgens ISO 2230, die een eerste en een verlengde opslagperiode voor niet-gemonteerde onderdelen aangeeft.

Factoren die de houdbaarheid van O-ringen kunnen beïnvloeden:

• Temperatuur: De opslagtemperatuur moet lager zijn dan 38°C (behalve wanneer hogere temperaturen worden veroorzaakt door tijdelijke klimaatveranderingen), de O-ring moet uit de buurt van directe warmtebronnen worden bewaard (zoals boilers, radiatoren en direct zonlicht).
• Vochtigheid: Als de elastomeren niet in afgesloten vochtbestendige zakken worden opgeslagen, moet de relatieve vochtigheid minder dan 75% bedragen (65% bij polyurethanen).
• Licht: Vooral direct zonlicht of kunstlicht met ultraviolet gehalte moet worden vermeden. Het is raadzaam om de ramen van opslagruimten af te dekken met een rode of oranje coating als er elastomeren aanwezig zijn.
• Straling: Bescherming tegen alle bronnen van ioniserende straling die schade kunnen veroorzaken.
• Ozon: Ozon is schadelijk voor sommige elastomeerafdichtingen. Apparatuur zoals kwikdamplampen, hoogspanningsapparatuur, stille elektrische ontladingen, verbrandingsgassen of organische dampen moeten worden vermeden.
• Vervorming: Afdichtingen moeten uit de buurt van elkaar overlappende trek- en drukspanningen of andere oorzaken van vervorming worden bewaard. O-ringen met een grote binnendiameter moeten in ten minste drie boven elkaar liggende lussen worden gevormd om plooien of verdraaiing te voorkomen. Opmerking: Het is niet mogelijk deze voorwaarde te bereiken door slechts twee lussen te vormen, er zijn er drie nodig.
• Contact met vloeibare en halfvaste materialen: Bijvoorbeeld contact met benzine, vetten, zuren, ontsmettingsmiddelen en reinigingsvloeistoffen moet worden vermeden, tenzij ze een integraal onderdeel zijn van het onderdeel of de verpakking van de fabrikant.
• Contact met metalen: Van bepaalde metalen en hun legeringen (vooral koper, mangaan en ijzer) is bekend dat zij schadelijke effecten hebben op elastomeren. Bescherming door individuele verpakking wordt aanbevolen.
• Contact met stuifpoeder: Stuifpoeders mogen alleen worden gebruikt voor de verpakking van elastomere voorwerpen om verstopping of kleven te voorkomen. In dergelijke gevallen wordt de minimale hoeveelheid poeder gebruikt om aanhechting te voorkomen.
• Contact tussen verschillende elastomeren: Moet ook worden vermeden.
• Op metalen delen gelijmde elastomeerafdichtingen: Het metalen deel van gelijmde elastomeerafdichtingen mag niet in contact komen met het elastomeerelement van een andere afdichting. De verzegeling wordt afzonderlijk verpakt. Elk op het metaal gebruikt conserveringsmiddel moet zodanig zijn dat het het elastomeerelement of de verbinding niet zodanig aantast dat de afdichting niet aan de productspecificatie voldoet.
• Voorraadrotatie: De voorraad elastomeerpakkingen moet worden geroteerd volgens het FIFO-principe (First In, First Out).
   

Juiste opslag voorkomt schade aan O-ringen.

Naast goede opslag is het ook belangrijk de werking van gemonteerde O-ringen regelmatig te controleren. En dat ze intensief worden gereinigd om optimaal te blijven functioneren. Het periodieke onderhoud van machines moet daarom ook O-ringen omvatten. Gebeurt dit niet, dan is de kans groot dat de O-ringen in de toepassing een kortere levensduur hebben.

Als de machines regelmatig worden gereinigd, moet je er zeker van zijn dat het reinigingsproces geschikt is voor jouw O-ringen. Dat komt omdat niet elke rubberen afdichting bestand is tegen de chemicaliën in schoonmaakmiddelen. Machines en apparaten worden ook vaak gereinigd met stoomreinigers. Ook in die gevallen moet je ervoor zorgen dat de stoom de O-ringen niet beschadigt.

Door de juiste maat O-ring te kiezen, een O-ring te gebruiken die past bij de toepassing en vakkundige montage wordt schade meestal voorkomen. Toch kan het gebeuren dat de O-ring beschadigd raakt. Het is dan belangrijk te weten wat de oorzaak is, zodat je het gericht kunt verhelpen.

• Installatieschade door montagefouten - Gebruik een O-ring montageset voor een goede montage.
• Permanente vervorming door overmatige belasting - Kies materiaal met betere compressiegraad of hogere temperatuurbestendigheid.
• Verharding en scheurvorming door oververhitting - Kies een compound dat bestand is tegen (extreem) hoge temperaturen.
• Haarscheurtjes door licht/zoninvloed - Kies materiaal dat goed bestand is tegen veroudering of ozon.
• Vervorming door extrusie - Bepaal de groefafmeting opnieuw om te veel speling te voorkomen.
• Verdraaien door bewegen in de groef - Gebruik het juiste vet als smeermiddel.
• Explosie na decompressie (EAD) - Toepassing van speciale EAD-compounds.

O-ringen worden vervaardigd volgens verschillende normen voor verschillende landen. De normen zeggen iets over de grootte van de O-ring: binnendiameter bij koordikte. Voor de meeste O-ringen van ERIKS geldt de norm AS568. AS staat voor "Aerospace Standard".

De norm ISO 3601-1 definieert de kwaliteitseisen, zoals de tolerantie van het materiaal van een O-ring. Productie en controle van afmetingen en onvolkomenheden volgen ook de ISO 3601-1 norm.

De O-ring is verreweg de meest gebruikte afdichting. Toch zijn er toepassingen waarvoor alternatieve afdichtingen beter geschikt zijn, bijvoorbeeld de X-ring:

Voorkomen van vroegtijdige lekkage in een dynamische, glijdende toepassing (zuiger/stangafdichting) - Een O-ring kan verdraaien bij een glijdende toepassing, waardoor een mogelijk lekpad ontstaat. Deze verdraaiing zal niet gebeuren met een X-ring vanwege zijn stabiliteit.

Langere levensduur in een dynamische toepassing - Een X-ring vereist minder contactdruk, heeft meer contactvlakken en kan beter van vet worden voorzien dan een O-ring.

Lagere vervormingskracht - De X-ring is goed te gebruiken in toepassingen waar de materialen of behuizing niet zo sterk zijn, bijvoorbeeld dunwandige kunststof cilinders of behuizingen. De behuizing moet sterk genoeg zijn om de afdichting te vervormen en niet andersom.