Oリングのシール原理
Oリングとしても知られるOリングは、円形断面を持つゴムリングです。油圧および空気圧システムで最も広く使用されているシールです。Oリングは優れたシール特性を提供し、静的シールと往復動シールの両方に使用できます。単独で使用でき、多くのモジュール式シールシステムの基本的なコンポーネントです。幅広い用途があります。材料が適切に選択されていれば、さまざまな動作条件の要件を満たすことができます。動作圧力は1.333 × 10⁵Paの真空から400 MPaの高圧まで、温度は-60°Cから200°Cまでです。
他のシールタイプと比較して、Oリングには次の利点があります。
1) 小型で、組み立てと分解が容易。
2) 静的シールと動的シールの両方に使用でき、静的シールとして使用する場合は事実上漏れがありません。
3) 単一のOリングで双方向のシールを提供します。
4) 低い動摩擦。
Oリングは、押出シールの一種です。その基本的な動作原理は、シール要素の弾性変形に依存し、シール面に接触圧力を生成することです。接触圧力が密閉媒体の内部圧力を超えると、漏れが発生します。そうでない場合は、漏れが発生します。シール面での接触圧力の原因と計算方法は、静的シールと動的シールで異なり、個別の説明が必要です。
1. 静的シールのシール原理
Oリングは、静的シールで最も広く使用されています。正しく設計および使用すれば、Oリングは漏れのない絶対的なシールを実現できます。
Oリングをシール溝に取り付けると、その断面は接触圧縮応力を受け、弾性変形を引き起こします。これにより、接触面に一定の初期接触圧力Poが発生します。圧力がないか、非常に低い圧力でも、Oリングは独自の弾性力によりシールを維持します。加圧された媒体がチャンバーに入ると、Oリングは媒体圧力の影響を受けて低圧側に移動し、弾性変形をさらに増加させてギャップδを埋めて閉じます。この時点で、シール対の接触面の接触圧力はPmに上昇します。
Pm=Po+Pp
ここで、PpはOリングを介して接触面に伝達される接触圧力（0.1 MPa）です。
Pp=K·P
Kは圧力伝達係数で、ゴムOリングの場合はK=1です。
Pは密閉された流体の圧力（0.1 MPa）です。
これにより、シール効果が大幅に向上します。Kは一般的に≥ 1であるため、Pm>Pです。したがって、Oリングに初期圧力がかかっている限り、漏れのない絶対的なシールを実現できます。媒体自体の圧力に依存してOリングの接触状態を変化させ、シールを実現するこのOリングの特性は、自己シールと呼ばれます。
理論的には、圧縮変形がゼロであっても、油圧下でシールできます。ただし、実際には、Oリングは取り付け中に偏心する可能性があります。したがって、Oリングをシール溝に取り付けた後、その断面は一般的に7％〜30％の圧縮変形を受けます。静的シールにはより高い圧縮比が使用され、動的シールにはより低い圧縮比が使用されます。これは、合成ゴムが低温で圧縮されるため、静的Oリングの事前圧縮は低温収縮を考慮する必要があるためです。
2. 往復運動シールのシール原理
往復運動シールは、油圧および空気圧コンポーネントおよびシステムにおける一般的なシール要件です。往復運動シールは、パワーシリンダーピストンとシリンダー本体、ピストンとシリンダーの間の配置、およびシリンダーヘッド、およびさまざまなタイプのスライドバルブで使用されます。円筒ロッドと円筒ボアの間にギャップが形成され、その中でロッドが軸方向に移動します。シールは、流体の軸方向の漏れを制限します。往復運動シールとして使用する場合、Oリングの事前シールと自己シール特性は、静的シールの特性と同様です。さらに、その固有の弾性により、Oリングは摩耗を自動的に補正できます。ただし、液体媒体をシールする場合、ロッド速度、液体圧力、および粘度の影響により、状況は静的シールよりも複雑になります。
液体が加圧されると、液体分子は金属表面と相互作用します。オイル中の極性分子は、金属表面にしっかりと均等に並び、スライド面とシールの間に強力な境界膜を形成し、スライド面に強い付着力を発揮します。この液体膜は常にシールと往復面の間にあるため、ある程度のシールを提供し、可動シール面の潤滑に不可欠です。ただし、漏れには有害です。往復シャフトが外側に引っ張られると、シャフト上の液体膜が一緒に引っ張られます。シールの「拭き取り」作用により、往復シャフトが後退すると、この液体膜はシール要素によって外側に保持されます。往復ストロークの回数が増加するにつれて、より多くの液体が外側に保持され、最終的に油滴が形成され、これは往復シールでの漏れを表します。油圧オイルの粘度は温度の上昇とともに低下するため、油膜の厚さもそれに応じて減少します。したがって、油圧機器を低温で始動すると、動き始めに漏れが大きくなります。動き中のさまざまな損失により温度が上昇すると、漏れは徐々に減少する傾向があります。
Oリングは、往復シールとして、コンパクトで小型であり、主に次の用途で使用されます。
1) 低圧油圧コンポーネント、一般的に短いストロークと10 MPa前後の中圧に限定されます。
2) 小径、短ストローク、中圧油圧スプールバルブ。
3) 空気圧スプールバルブとシリンダー。
4) 複合往復シールにおけるエラストマーとして。
Oリングは、空気圧シリンダーやスプールバルブなどの往復コンポーネントなど、小径、短ストローク、低〜中圧の往復シールとして最適です。油圧コンポーネントでは、Oリングを主要な動的シールとして使用することは、一般的に短いストロークと10 MPa前後の中〜低圧に限定されます。Oリングは、非常に低速の往復シールや、高圧往復用途の唯一のシールとしては適していません。これは主に、これらの条件下での高い摩擦が原因であり、早期のシール故障につながる可能性があります。どのような用途でも、シールは定格データまたは容量に従って使用し、適切な性能を得るために適切に組み立てる必要があります。
3. ロータリーシール
オイルシールとメカニカルシールは、ロータリーシールによく使用されます。ただし、オイルシールはより低い圧力で動作し、Oリングよりも大きく、より複雑で、製造性が低いです。メカニカルシールは高圧（40 MPa）、高速（50 m/s）、高温（400°C）で動作できますが、より複雑でかさばる構造と高コストのため、石油および化学産業の重機にのみ適しています。
ロータリー用途のOリングの主な問題は、ジュール加熱です。高速回転シャフトとOリングの接触点で発生するこの摩擦熱は、これらの接触点の温度を継続的に上昇させ、ゴム材料をひどく変形させ、圧縮と伸びの変化を引き起こします。この熱はまた、シール材料の経年劣化を加速し、Oリングの耐用年数を短縮します。また、シール油膜を破壊し、油の破損を引き起こし、シールの摩耗を加速します。
上記の状況に基づいて、近年、ロータリーモーション用のOリングについて、国内外で広範囲かつ詳細な研究が行われています。ジュール加熱を回避するには、ゴムの特性、主にOリングの伸びと圧縮比に基づいて、Oリングの構造パラメータを正しく選択することが重要です。実験的研究により、ロータリーモーション用のOリングは、内径が回転シャフトの直径と等しいか、わずかに大きいように設計する必要があり、通常は3％から5％大きくなっています。取り付け中、Oリングは内径から内側に圧縮され、断面圧縮は最小限に設計され、通常は約5％です。さらに、熱的影響が最小限のシール材料を可能な限り使用し、Oリングの取り付け場所での放熱を適切に考慮します。これにより、Oリングの性能が大幅に向上し、最大4 m/sの速度で回転シャフトをシールできるようになります。
最近、耐熱性フッ素ゴムと耐摩耗性ポリウレタンゴムが登場し、ゴムコンポーネントにおけるジュール加熱効果に対する理解が深まり、この問題に対処するためのソリューションが開発され、高速、高圧ロータリーモーションにより適した新しいOリングシール構造の設計につながっています。
Oリングは、小型、シンプルな構造、低コスト、優れたプロセス性能、幅広い用途により、ロータリーモーションシールデバイスで広く使用されています。