Principio de sellado de la junta tórica
Una junta tórica, también conocida como junta tórica, es un anillo de goma con una sección transversal circular. Es el sello más utilizado en sistemas hidráulicos y neumáticos. Las juntas tóricas ofrecen excelentes propiedades de sellado y se pueden utilizar tanto para sellos estáticos como alternativos. Se pueden usar de forma independiente y son un componente fundamental de muchos sistemas de sellado modulares. Tienen una amplia gama de aplicaciones. Si el material se selecciona correctamente, pueden cumplir con los requisitos de diversas condiciones de funcionamiento. Las presiones de funcionamiento oscilan entre un vacío de 1,333 × 10⁵Pa y una alta presión de 400 MPa, y las temperaturas se extienden desde -60°C hasta 200°C.
En comparación con otros tipos de sellos, las juntas tóricas tienen las siguientes ventajas:
1) Tamaño pequeño y fácil montaje y desmontaje.
2) Se pueden utilizar tanto para sellado estático como dinámico, prácticamente sin fugas cuando se utilizan como sello estático.
3) Una sola junta tórica proporciona sellado bidireccional.
4) Baja fricción dinámica.
La junta tórica es un tipo de sello de extrusión. Su principio de funcionamiento básico se basa en la deformación elástica del elemento de sellado, creando presión de contacto en la superficie de sellado. Si la presión de contacto excede la presión interna del medio sellado, se producirán fugas; de lo contrario, se producirán fugas. Las causas y los métodos de cálculo de la presión de contacto en la superficie de sellado difieren para los sellos estáticos y dinámicos y requieren explicaciones separadas.
1. Principio de sellado para sellos estáticos
Las juntas tóricas son las más utilizadas en sellos estáticos. Si se diseñan y utilizan correctamente, las juntas tóricas pueden lograr un sellado absoluto sin fugas.
Después de que una junta tórica se instala en una ranura de sellado, su sección transversal sufre tensión de compresión por contacto, lo que provoca una deformación elástica. Esto genera una cierta presión de contacto inicial Po en la superficie de contacto. Incluso sin presión o con muy poca presión, la junta tórica mantiene un sello debido a su propia fuerza elástica. Cuando el medio presurizado entra en la cámara, la junta tórica se desplaza hacia el lado de menor presión bajo la influencia de la presión del medio, aumentando aún más su deformación elástica para llenar y cerrar el espacio δ. En este punto, la presión de contacto en las superficies de contacto del par de sellado aumenta a Pm:
Pm=Po+Pp
Donde Pp es la presión de contacto transmitida a la superficie de contacto a través de la junta tórica (0,1 MPa).
Pp=K·P
K es el coeficiente de transmisión de presión, con K=1 para juntas tóricas de goma;
P es la presión del fluido sellado (0,1 MPa).
Esto mejora en gran medida el efecto de sellado. Dado que K es generalmente ≥ 1, Pm>P. Por lo tanto, siempre que haya presión inicial en la junta tórica, puede lograr un sellado absoluto sin fugas. Esta propiedad de la junta tórica, que se basa en la presión del propio medio para cambiar el estado de contacto de la junta tórica y lograr un sellado, se denomina autosellado.
Teóricamente, incluso si la deformación por compresión es cero, aún puede sellar bajo presión de aceite. Sin embargo, en la práctica, las juntas tóricas pueden ser excéntricas durante la instalación. Por lo tanto, después de que la junta tórica se instala en la ranura de sellado, su sección transversal generalmente experimenta una deformación por compresión del 7% al 30%. Se utiliza una mayor relación de compresión para los sellos estáticos, mientras que se utiliza una menor relación de compresión para los sellos dinámicos. Esto se debe a que el caucho sintético se comprime a bajas temperaturas, por lo que la precompresión de las juntas tóricas estáticas debe tener en cuenta su contracción a baja temperatura.
2. Principios de sellado para sellos de movimiento alternativo
Los sellos de movimiento alternativo son un requisito de sellado común en componentes y sistemas hidráulicos y neumáticos. Los sellos de movimiento alternativo se utilizan en pistones y cuerpos de cilindros de potencia, interposición de pistón a cilindro y cabezales de cilindros, y varios tipos de válvulas correderas. Se forma un espacio entre una varilla cilíndrica y un orificio cilíndrico, dentro del cual la varilla se mueve axialmente. El sello restringe las fugas axiales del fluido. Cuando se utiliza como sello de movimiento alternativo, las propiedades de pre-sellado y autosellado de la junta tórica son similares a las de los sellos estáticos. Además, debido a su elasticidad inherente, la junta tórica puede compensar automáticamente el desgaste. Sin embargo, cuando se sellan medios líquidos, la situación es más compleja que con los sellos estáticos debido a la influencia de la velocidad de la varilla, la presión del líquido y la viscosidad.
Cuando los líquidos están bajo presión, las moléculas del líquido interactúan con la superficie metálica. Las moléculas polares del aceite se alinean de forma apretada y uniforme en la superficie metálica, formando una fuerte película límite entre la superficie deslizante y el sello, que ejerce una fuerte adhesión a la superficie deslizante. Esta película líquida siempre existe entre el sello y la superficie de movimiento alternativo, proporcionando un cierto grado de sellado y crucial para lubricar la superficie de sellado en movimiento. Sin embargo, es perjudicial para las fugas. Cuando el eje alternativo se tira hacia afuera, la película líquida en el eje se tira junto con él. Debido a la acción de "limpieza" del sello, cuando el eje alternativo se retrae, esta película líquida es retenida en el exterior por el elemento de sellado. A medida que aumenta el número de carreras alternativas, se retiene más líquido en el exterior, formando finalmente gotas de aceite, que representan fugas en los sellos alternativos. Debido a que la viscosidad del aceite hidráulico disminuye al aumentar la temperatura, el espesor de la película de aceite disminuye en consecuencia. Por lo tanto, cuando el equipo hidráulico se pone en marcha a bajas temperaturas, las fugas son mayores al principio del movimiento. A medida que la temperatura aumenta debido a varias pérdidas durante el movimiento, las fugas tienden a disminuir gradualmente.
Las juntas tóricas, como sellos alternativos, son compactas y de tamaño pequeño, y se utilizan principalmente en:
1) Componentes hidráulicos de baja presión, generalmente limitados a carreras cortas y presiones medias de alrededor de 10 MPa.
2) Válvulas de carrete hidráulicas de diámetro pequeño, carrera corta y presión media.
3) Válvulas de carrete y cilindros neumáticos.
4) Como elastómeros en sellos alternativos combinados.
Las juntas tóricas son las más adecuadas como sellos alternativos para diámetros pequeños, carreras cortas y presiones bajas a medias, como en componentes alternativos como cilindros neumáticos y válvulas de carrete. En los componentes hidráulicos, el uso de juntas tóricas como sellos dinámicos primarios generalmente se limita a carreras cortas y presiones medias a bajas de alrededor de 10 MPa. Las juntas tóricas no son adecuadas para sellos alternativos de muy baja velocidad o como el único sello para aplicaciones alternativas de alta presión. Esto se debe principalmente a la alta fricción en estas condiciones, lo que puede provocar una falla prematura del sello. En cualquier aplicación, el sello debe utilizarse de acuerdo con sus datos o capacidad nominales y ensamblarse correctamente para lograr un rendimiento satisfactorio.
3. Sellos rotativos
Los retenes de aceite y los sellos mecánicos se utilizan comúnmente para sellos rotativos. Sin embargo, los retenes de aceite funcionan a presiones más bajas y son más grandes, más complejos y menos fabricables que las juntas tóricas. Si bien los sellos mecánicos pueden funcionar a altas presiones (40 MPa), altas velocidades (50 m/s) y altas temperaturas (400°C), su estructura más compleja y voluminosa y su alto costo los hacen adecuados solo para maquinaria pesada en las industrias del petróleo y la química.
El principal problema con las juntas tóricas para aplicaciones rotativas es el calentamiento Joule. Este calor de fricción generado en el punto de contacto entre el eje giratorio de alta velocidad y la junta tórica hace que la temperatura de estos puntos de contacto aumente continuamente, deformando severamente el material de goma y causando cambios en la compresión y el alargamiento. Este calor también acelera el envejecimiento del material de sellado, reduciendo la vida útil de la junta tórica. También destruye la película de aceite de sellado, causando la rotura del aceite y acelerando el desgaste del sello.
Basado en la situación anterior, se han realizado investigaciones extensas y profundas tanto a nivel nacional como internacional sobre juntas tóricas para movimiento rotatorio en los últimos años. Para evitar el calentamiento Joule, la clave radica en seleccionar correctamente los parámetros estructurales de la junta tórica en función de las propiedades de la goma, principalmente el alargamiento y la relación de compresión de la junta tórica. Los estudios experimentales han demostrado que las juntas tóricas para movimiento rotatorio deben diseñarse con un diámetro interior igual o ligeramente mayor que el diámetro del eje giratorio, típicamente un 3% a un 5% más grande. Durante la instalación, la junta tórica se comprime desde el diámetro interior hacia adentro, y la compresión de la sección transversal está diseñada para ser mínima, típicamente alrededor del 5%. Además, se utilizan materiales de sellado con un impacto térmico mínimo siempre que sea posible, y se presta la debida consideración a la disipación de calor en el sitio de instalación de la junta tórica. Esto mejora significativamente el rendimiento de las juntas tóricas, lo que permite su aplicación en el sellado de ejes giratorios con velocidades de hasta 4 m/s.
Recientemente, han surgido caucho fluorado resistente al calor y caucho de poliuretano resistente al desgaste, y con una comprensión más profunda del efecto de calentamiento Joule en los componentes de goma, se han desarrollado soluciones para abordar este problema, lo que ha llevado al diseño de nuevas estructuras de sellado de juntas tóricas que se adaptan mejor al movimiento rotatorio de alta velocidad y alta presión.
Las juntas tóricas se utilizan ampliamente en dispositivos de sellado de movimiento rotatorio debido a su pequeño tamaño, estructura simple, bajo costo, buen rendimiento del proceso y amplia gama de aplicaciones.