ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Cihat GÜL
Anabilim Dalı : Konstruksiyon Anabilim Dalı Programı : Konstruksiyon Programı
LĠNEER SIZDIRMAZLIK ELEMANLARININ PERFORMANS KARAKTERĠSTĠKLERĠNE MAKRO GEOMETRĠNĠN ETKĠSĠ
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Cihat GÜL
(503081203)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 25 Aralık 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 27 Ocak 2010
Tez DanıĢmanı : Yrd. Doç Dr. Vedat TEMĠZ (ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Cemal BAYKARA (ĠTÜ)
Doç. Dr. Özgen Ümit ÇOLAK (YTÜ)
LĠNEER SIZDIRMAZLIK ELEMANLARININ PERFORMANS KARAKTERĠSTĠKLERĠNE MAKRO GEOMETRĠNĠN ETKĠSĠ
ÖNSÖZ
Hayatımızın birçok alanında görev alan sızdırmazlık elemanlarının geliĢimi ve günümüzde ulaĢtıkları teknoloji bize ve çevremizde birçok yarar sağlamaktadır. Her geçen gün enerjiye duyulan ihtiyacın arttığı, daha az kuvvetle daha fazla iĢ yapılabilmesinin amaçlandığı bir çağda bulunmaktayız. Sızdırmazlık elemanları da bu noktada gerek malzemeleri, gerekse geometrileri bakımından geliĢmekle daha az sürtünme kaybı oluĢturmakta, aynı zamanda daha iyi sızdırmazlık sağlayarak hem çevre kirliliği hem de makinaların uzun ömürlü olmasına katkı yapmaktadırlar; bu performansları ile enerji en iyi verimle kullanılmakta ve eski makinaların oluĢturduğu kirlilik önlemektedir. Kısacası sanayinin önemli bir yer kapladığı hayatımız için sızdırmazlık konusu ve sızdırmazlık elemanları ana rollerden birini üstlenmektedir. Ben bu çalıĢmamda geniĢ alt kolları bulunan sızdırmazlık elemanlarından lineer sızdırmazlık elemanlarını ele aldım. Lineer sızdırmazlık elemanları öteleme hareketi yapan sistemlerde sızdırmazlıkta kullanılmaktadırlar. Otomobillerin fren sistemleri, ya da iĢ makinalarının aksamları gibi hayati bölgelerde sistemin görevini yerine getirebilmesini sağlayan en önemli elemanlardandır. ÇalıĢmamda bu elemanların farklı tiplerinin ve farklı malzemelerinin, değiĢik ortam Ģartlarındaki davranıĢlarını inceledim.
ÇalıĢmam süresince benden katkılarını esirgemeyen tez danıĢmanı hocam Yrd. Doç. Dr. Vedat TEMĠZ’e, verdiği destekle ve yardımlarıyla çalıĢmamın sonuçlanmasında emeği olan meslektaĢım ArĢ. Gör. Hacer ÖZPERK’e, laboratuar çalıĢmalarımı tamamlamamda bana destek veren Orhan KAMBUROĞLU’na teĢekkürlerimi sunarım.
Aralık 2009 Cihat Gül
ĠÇĠNDEKĠLER
Sayfa
ÖNSÖZ ... v
KISALTMALAR ... ix
ÇĠZELGE LĠSTESĠ ... xi
ġEKĠL LĠSTESĠ ... xiii
ÖZET ... xv
SUMMARY ... 1
1. GĠRĠġ ... 3
1.1 Literatür Taraması ve Günümüzde Lineer Sızdırmazlık Elemanları ... 4
2. SIZDIRMAZLIK ELAMANLARI VE SINIFLANDIRILMASI ... 9
2.1 Statik Sızdırmazlık Elemanları ... 9
2.1.1 O-Ringler ... 10
2.1.1.1 Elastomer O-Ringler………. 10
2.1.1.2 Plastik O-Ringler ………13
2.1.1.3 Metal O-Ringler ………..14
2.1.2 Dikdörtgen kesitli halkalar ... 15
2.1.3 X kesitli halkalar ... 15
2.1.4 T kesitli halkalar ... 16
2.1.5 L kesitli halkalar ... 17
2.2 Dinamik Sızdırmazlık Elemanları ... 17
2.2.1 Dönel sızdırmazlık elemanları ... 18
2.2.2 Lineer sızdırmazlık elemanları ... 19
2.2.2.1 O-Ringler ………20
2.2.2.2 X-Ringler ………21
2.2.2.3 T-Ringler ……….22
2.2.2.4 Teflon halkalı sızdırmazlık elemanları ………...22
2.2.2.5 V-Ringler ve takım halkalar………23
2.2.2.6 Piston baĢı sızdırmazlık elemanları ………25
2.2.2.7 U-Ringler ………27
3. ÖTELEME HAREKETĠNDEKĠ DĠNAMĠK SIZDIRMAZLIK MEKANĠZMASI ... 29
3.1 Dinamik Sızdırmazlık Mekanizması ... 30
3.1.1 Ġleri strokta film kalınlığı ... 33
3.1.2 Geri strokta film kalınlığı ... 34
3.2 Elastohidrodinamik Yağlama ve Günümüz U-Ring Geometrisi ... 36
4.1.2.4 Nitril bütadien kauçuk (NBR)……….46
4.1.2.5 Bütil kauçuk (IIR) ………...47
4.1.2.6 Klorobütadien (Kloropen) (CR)………..47
4.1.2.7 Karboksi nitril (XNBR) ………48
4.1.2.8 Poliüretan (AU,EU) ………48
4.1.2.9 Termoplastik polyester elastomer (TPC-ET) ………..49
4.1.2.10 Polisülfit (OT/EOT) ………..50
4.1.2.11 Hidrojen nitril (HNBR) ……….50
4.1.2.12 Poliakrilik (ACM) ……….51
4.1.2.13 Etilen akrilik (AEM) ……….51
4.1.2.14 Etilen proplen (EPM, EPDM) ………...51
4.1.2.15 Silikon (MVQ, MPQ, MPVQ) ………..52
4.1.2.16 Florokarbon (FKM) ………..52
4.1.2.17 Florosilikon (FVMQ/FMQ) ………..53
4.1.2.18 Tetrafloroetilen proplen kopolimer (FEPM) (TFE/P)………...53
4.1.2.19 Perfloroeter ………...54
4.1.2.20 Perfloroelastomer ………..54
4.1.2.21 Polibornen (PNR)………..55
4.1.2.22 Fosfonitril floroelastomer (PNF) ………..55
4.2 Plastikler ... 56
4.2.1 Sızdırmazlık elemanı malzemesi olan plastikler ... 57
4.2.1.1 Poliamid (PA) ……….57 4.2.1.2 Asetal (POM) ………..57 4.2.1.3 Polyester………..58 4.2.1.4 Polietilen (PE) ……….58 4.2.1.5 Poliproplen sülfit (PPS) ………..58 4.2.1.6 Politetrafloretilen (PTFE) ………...59
5. DENEYĠN YAPILIġI VE KULLANILAN DENEY TESĠSATI... 61
5.1 Deneyin UygulanıĢı ... 68
5.2 Deney Numuneleri... 69
6. SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRMELER ... 71
KAYNAKLAR ... 79
KISALTMALAR
ACM : Poliakrilik AEM : Etilen akrilik
ATF : Otomatik vites sıvısı
AU : Poliüretan
BR : Bütadien kauçuk CR : Klorobütadien kauçuk cSt : Santistokes
EPDM : Etilen proplen EPM : Etilen proplen
EU : Poliüretan
FEPM : Tetrafloroetilen proplen kopolimer FKM : Florokarbon FMQ : Florosilikon FVMQ : Florosilikon HFC : Poliglikol HNBR : Hidrojen nitril IIR : Bütil
ISO : Uluslar arası standartlar teĢkilatı
kw : kilowatt
LPG : SıvılaĢtırılmıĢ petrol gazı
MPQ : Silikon
MPVQ : Silikon
MVQ : Silikon
N : Newton
NBR : Nitril bütadien kauçuk
NR : Doğal kauçuk OT/EOT : Polisülfit PA : Poliamid PE : Polietilen PEEK : Polietereterketon PNF : Fosfonitril floroelastomer PNR : Polinorbornen POM : Asetal PPS : Poliprolen sülfit PTFE : Politetrafloretilen PU : Poliüretan R12 : Soğutucu akıĢkan
ÇĠZELGE LĠSTESĠ
Sayfa Çizelge 4.1 : Akronitril oranının NBR özelliklerine etkisi……… 44 Çizelge 4.2 : Bazı elastomerler ve grupları. ………...45 Çizelge 5.1 : Okunan microstrain değerleri ... 65
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa
ġekil 2.1 : O-Ring………...………. 10
ġekil 2.2 : O-Ring kanal içi durumu. ………11
ġekil 2.3 : Üçgen kesitli O-Ring kanalı. ……….12
ġekil 2.4 : Trapez O-Ring kanalı. ………...12
ġekil 2.5 : Back-up ring uygulaması. ……….12
ġekil 2.6 : Ġki farklı malzemeli back-up ring uygulaması. ……….13
ġekil 2.7 : Plastik kılıflı O-Ring. ………13
ġekil 2.8 : Metal O-Ring tipleri. ……….14
ġekil 2.9 : Dikdörtgen kesitli halka ve basınç altında davranıĢı.………15
ġekil 2.10 : X-Ring. ………15
ġekil 2.11 : T-Ring. ………16
ġekil 2.12 : L-Ring. ………17
ġekil 2.13 : Dönel sızdırmazlık elemanı.………18
ġekil 2.14 : Burulma durumunda O-Ring.………..21
ġekil 2.15 : Dinamik uygulamalardaki bazı X-Ring örnekleri. ………..21
ġekil 2.16 : Teflon halkalı sızdırmazlık elemanları. ………22
ġekil 2.17 : Uygulama durumunda teflon halkalı sızdırmazlık elemanları. ………...23
ġekil 2.18 : Uygulama durumunda takım V-Ring sızdırmazlık elemanları. ………..23
ġekil 2.19 : DiĢi-erkek takım halka adaptörleri. ……….24
ġekil 2.20 : Piston baĢı sızdırmazlık elemanları.………26
ġekil 2.21 : Piston baĢı sızdırmazlık elemanları montaj hali.……….27
ġekil 2.22 : DeğiĢik O-Ring geometrileri. ………28
ġekil 3.1 :Öteleme hareketindeki elemanlar. ... 29
ġekil 3.2 :Sıvı filmdeki basınç dağılımı. ... 31
ġekil 3.3 :Ġleri strokta basınç ve film akıĢı dağılımı. ... 32
ġekil 3.4 :Geri strokta basınç ve film akıĢı dağılımı. ... 34
ġekil 3.5 :Eski ve yeni tip U-Ring geometrilerinin temas noktasındaki basınçlarının karĢılaĢtırılması. ... 38
ġekil 3.6 :Teması noktasındaki pahın oluĢturduğu basınç değiĢimi. ... 39
ġekil 4.1 : Metaller, plastikler ve elastomerler için basınç/gerilim aralıkları...42
ġekil 4.2 : Bir NBR polimeri bağ yapısı. ... 43
ġekil 4.3 : Metal destekli plastik malzemeli U-Ring. ... 56
ġekil 5.1 : Silindir kesit resmi. ... 63
ġekil 5.2 : Kapakların montaj durumu ... 64
ġekil A.1 : ISO 32 VG hidrolik yağ için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı grafiği. 82 ġekil A.2 : ISO 46 VG hidrolik yağ için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı grafiği . 83
ġekil A.3 : ISO 32 VG hidrolik yağ için ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafiği. ... 84
ġekil A.4 : ISO 46 VG hidrolik yağ için ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafiği. ... 85
ġekil A.5 : K96NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 86
ġekil A.6 : K701PTFE için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 87
ġekil A.7 : N1NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 88
ġekil A.8 : N2NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 89
ġekil A.9 : N5NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 90
ġekil A.10 : N5PU için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 91
ġekil A.11 : N21NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 92
ġekil A.12 : N24NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 93
ġekil A.13 : O3NBR için sürtünme kuvveti/çalıĢma basıncı, ölçülen kaçak/çalıĢma basıncı grafikleri. ... 94
ġekil A.14 : Kullanılan deney tesisatı. ... 95
ġekil A.15 : Yatakları üzerinde krom kaplı mil. ... 96
ġekil A.16 : Alüminyum halka ve strain gaugeler. ... 96
LĠNEER SIZDIRMAZLIK ELEMANLARININ PERFORMANS KARAKTERĠSTĠKLERĠNE MAKRO GEOMETRĠNĠN ETKĠSĠ
ÖZET
Sızdırmazlık elemanları çok geniĢ bir ailedir. Genel anlamda statik ve dinamik olarak iki gruba ayırmak mümkündür. Statik sızdırmazlık insanoğlunun sanayiyi geliĢtirirken belki de ilk karĢılaĢtığı problemlerden biridir. Ġnsanoğlu bu probleme ilk baĢlarda hayvan derisinden veya yününden üretilen malzemelerle çözüm bulmuĢtur. Hayvan yününe bildiğimiz gibi keçe denmektedir. Sızdırmazlık elemanlarının ismi bu nedenle keçe olarak tanımlanmıĢ günümüzde de bu Ģekilde kullanılmaktadır. Statik ve dinamik olarak ikiye ayrılan sızdırmazlık elemanları asıl olarak statik sızdırmazlıktaki geliĢmeler ile günümüze gelmiĢtir. Statik sızdırmazlıkta en genel bilinen elemanlar O-Ringlerdir. O-Ringler elastomer bir malzemeden üretilirler. Bunların basınç altında gösterdiği Ģekil değiĢimi kullanılarak sızdırmazlık sağlanır. Belirli bir boĢlukta sıkıĢtırılarak monte edilen O-Ring bu sıkıĢtırma ve sistemden gelen basınç ile Ģekil değiĢtirerek bir nevi akarak boĢlukları doldurur ve sızdırmazlık sağlar. Bundan yola çıkarak dinamik uygulamada da O-Ringler kullanılmıĢtır. T-Ring, L-Ring gibi baĢka geometrilerde kullanılmasına karĢı, simetrik O-Ring geometrisinin faydalı olduğu düĢünülmüĢ bu nedenle bu bilgiye baĢvurularak baĢka geometriler geliĢtirilmiĢtir. U-Ringler bu geliĢtirilen geometrilerden biridir. Bu Ģekilde geliĢtirilen U-Ringler dinamik uygulamalarda en yaygın kullanılan elemanlar olmuĢlardır. Ancak bu aĢamaya geçene kadar birçok değiĢikliğe uğramıĢlardır. Önceleri simetrik üretilen U-Ringler yıllar geçtikçe özellikle de yeni teorilerin bulunmasıyla modern halini almıĢlardır.
Bu çalıĢmada bahsedildiği gibi günümüze ulaĢan modern geometrili sızdırmazlık elemanları incelenmiĢtir. Günümüzde geliĢen teoriler ve malzeme bilimi ile sızdırmazlık elemanları optimum düzeye çok yaklaĢmıĢlardır. Ancak yinede değiĢik çalıĢma ortamları için farklı geometri veya malzeme tercihleri yapılması gereklidir. Burada bahsedilen ortam koĢulları çalıĢma basıncı, çalıĢma sıcaklığı, kullanılan hidrolik sıvı, çalıĢılan pistonun yüzey pürüzlülüğü, dıĢ ortamda bulunan havanın içerdiği gazların oranları, nem, piston hızı gibi parametreler olabilir. ĠĢte lineer sızdırmazlık elemanlarının bu her koĢul için ayrı ayrı ele alınıp tercih edilmesi gereklidir. Bize geliĢen teknoloji birçok çözümü birlikte sunmaktadır. Bunun için biz sistemimize en uygun elemanı belirli deneyler sonucunda yapılan önerilere göre seçmek durumundayız. Bu elemanın geometrisi veya malzemesi elde edilen sonuçlara göre değerlendirilmeli ve tercih yapılmalıdır.
ÇalıĢmanın diğer aĢamasında ise yine aynı Ģekilde eldeki numunelerin sızdırmazlık performansları incelenmiĢtir. Bunun için her deneyde yeni elemanlar kullanılmıĢ ve her birinin bir strok sonunda piston üzerinde bıraktığı kaçak emici kâğıt yardımıyla hassas terazide ölçülerek bir değer elde edilmiĢtir. Böylece tam olarak kaçak durumundaki sıvı ölçülemese de kullanılan numunelerin birbirlerine göre sızdırmazlık performansları karĢılaĢtırılabilmiĢtir. Ayrıca sonuç olarak hangi numunenin sızdırmazlık-sürtünme kaybı karĢılaĢtırılması yapıldığında en iyi performansı verdiği görülmüĢtür. ÇalıĢma sonunda elde edilen grafiklerde strok baĢlangıç ve bitiĢlerinde sızdırmazlık elemanlarının verdiği tepki kuvvetleri ayrıca sızdırmazlık elemanlarının kararlı bir rejime geçtikleri basınçlar açıkça görülmektedir.
Deney çalıĢmalarına geçilmeden önce çok geniĢ bir aile olan sızdırmazlık elemanları genelden deneyde kullanılan sızdırmazlık elemanları olan lineer sızdırmazlık elemanlarına kadar detaylıca incelenmiĢtir. Daha önce bahsedildiği gibi sızdırmazlık elemanları en genel anlamda statik ve dinamik olarak iki gruba ayrılmaktadırlar. Statik sızdırmazlık elemanları olarak incelenen baĢlık altında O-Ring, T-Ring, L-Ring ve diğer sızdırmazlık elemanlarının statik durumdaki hareketleri ve karĢılaĢılan durumlar incelenmiĢtir. Bir statik sızdırmazlık elemanı için hazırlanması gereken kanalın tasarımı ve neden bu kadar önemli olduğunun üstünde durulmuĢtur. Bilindiği gibi statik sızdırmazlıkta kullanılan sızdırmazlık elemanı monte edildiği kanal içinde basınç ile yer değiĢtirmektedir. Bu yer değiĢtirme yani akma sonunda sıvının kaçabileceği boĢlukları doldurarak sızdırmazlığı sağlamaktadır. ĠĢte her kullanılan farklı geometri burada kendine has avantajlar sağlamaktadır. Bunların neler olduğu ve avantaj ve dezavantajları çalıĢma içinde aktarılmıĢtır.
Dinamik olarak sızdırmazlık elemanları incelendiğinde karĢımıza dönel ve lineer (öteleme hareketi için kullanılan) olarak iki grup sızdırmazlık elemanları çıkmaktadır. Bu çalıĢma lineer sızdırmazlık elemanlarını kapsasa da dinamik sızdırmazlık elemanları baĢlığı altında dönel sızdırmazlık elemanları hakkında çok detaya inmeden bilgi aktarılmıĢtır. Daha sonra lineer sızdırmazlık elemanları üstünde durulmuĢtur. Lineer sızdırmazlık elemanları gruplar halinde avantajları ve dezavantajları ortaya konularak incelenmiĢ ve lineer sızdırmazlık elemanlarının modern geometrisini almasını sağlayan dinamik sızdırmazlık mekanizması aktarılmıĢtır. Bu baĢlık altında basınç dağılımı ile oluĢan film kalınlığı, bu film kalınlığının kaçak oluĢumuna etkisi incelenmiĢtir. Ayrıca eski geometrinin neden modern U-Ring geometrisine göre daha kötü sızdırmazlık performansı verdiği açıklanmıĢtır. BaĢlık altında daha detaylı incelenecek olsa da konunun özeti olarak Ģu söylenebilir: Basınç yayılımının geniĢliği ne kadar fazla olursa oluĢan sıvı filmi daha çok yüzeye yayılmıĢ hal alır. Ancak üretilecek geometride bu basınç yayılımı engellenip basıncın tek noktada toplanması baĢarılabilirse, sızdırmazlık performansı o kadar olumlu etkilenecektir. Bunun nedeni ve ileri ve geri strok durumlarında film kalınlığı ve basınç dağılımının kaçak oluĢumuyla ilgisi ve ilgili bağıntılar verilerek detaylıca açıklanmıĢtır.
Bu konular dıĢında sızdırmazlık elemanlarının malzemeleri ayrı bir baĢlık altında incelenmiĢtir. Sızdırmazlık elemanlarında elastomerler ve plastikler olarak iki ayrı grup sızdırmazlık elamanları malzemeleri kullanılmaktadır.
Elastomerler en yaygın kullanılan sızdırmazlık elemanları malzemeleridir. Yapılarındaki bağların küçük değiĢimiyle birçok farklı özellikteki elastomer elde edilebilmektedir. En yaygın kullanılan elastomer NBR yani nitril bütadien elastomerdir. Plastik malzemelerden ise PTFE yani teflon ve PU poliüretan en yaygın sızdırmazlık elemanları malzemeleridir. Genel olarak kullanılan bu malzemeler ile birlikte diğer sızdırmazlık elemanları malzemeleri de yaygın olarak kullanıldığı durumlar, uygun olmadığı durumlar ve avantajları bakımından incelenmiĢtir.
Son olarak kullanılan deney tesisatı ve deneyin uygulanıĢı anlatılmıĢtır. Sonuçlar ve değerlendirmeler yapılmıĢ ve sonuç olarak farklı tipteki sızdırmazlık elamanlarının içlerinde iyi performans verenler malzemeleri ve geometriler bakımından ortaya çıkmıĢtır. Her bir geometri veya malzeme kendine özgü yararlar sağlasa da bir baĢka bakımdan da bazı sakıncalar doğurabildiği gözlemlenmiĢtir. Bunlar göz önünde tutularak bir en iyi sızdırmazlık elemanı kararlaĢtırılması yapılmıĢtır.
EFFECT OF MACRO GEOMETRY ON THE PERFORMANCE CHARECTERISTICS OF RECIPROCATING SEALS
SUMMARY
As reciprocating motion is indispensable in many industrial applications, performance of reciprocating seals is important for design of a regular working system. In this thesis several specific reciprocating seals are investigated experimentally for comparison the conditions which effect their performance both for leakage and frictional loses. These conditions can be circumstances of working environment such as temperature, viscosity of hydraulic fluids, rates of atmosphere gases such as oxygen, pressure or roughness of their rod or piston surfaces. And also reciprocating seals have their own characteristics like their geometry and material. We should assume these characteristics as a parameter of their performance. One part of this work is investigating the performance of reciprocating seals which are made from different materials in same geometry. And at the other hand fluids have different viscosity, and different pressure values examined on different seal geometries. Also some new design like double lip U-Ring designs compare with most known U-Ring geometry which is inner and outer lips are at the same size. Briefly in this thesis some geometrical, material and environmental effects can be compared for reciprocating seals both for leakage performance and frictional forces. As a conclusion a seal which has a PTFE ring compare with other seal geometries and materials like PU, NBR and PTFE. We can see material properties act on sealing like PTFE can be good at provide low frictional forces but bad at leakage performance.
First of all some of seal types are explained in groups. In general, seals are divided into two groups: Static and dynamic. In this work, some dynamic reciprocating seals had been investigated. But in spite of that some information and examples to static seal and dynamic rotary seals is given. Development of seal technology is based on static sealing technology. Some investigations about this issue act a pioneer role of dynamic sealing mechanism. First sealing elements, which are used most common for static sealing nowadays, were O-Rings. Their material properties and their symmetric geometry give them a good sealing performance. And because of that reason investigators think that symmetric geometry have some benefit for sealing. And they develop X-Rings and U-Rings.
U-Rings are nowadays most common dynamic sealing elements. Their lip geometry, their material properties and their reaction to interior pressure make them more efficient than other seal geometries. Before the modern U-Ring geometry has been
Investigators think that, if the lips were thinner, most of the pressure could directly effect to sealing surface. But at this time they were aware of elastohydrodynamic lubrication mechanism. At 1960s, some of this theory had been explained and investigators realized day by day that pressure effect that we see on sealing surface must be collect in a point rather than spread surface pressure. And they improved U-Ring geometries to collect interior pressure effect on one point to provide rapid pressure change in that point.
On the other hand, material technology has been developing rapidly. Some of new sealing materials have been improved for extreme conditions like low and high temperature and high pressure. And other effect of sealing, frictional forces can be minimized by using of some new materials like PTFE. In this work, some of new sealing materials and advantages and disadvantages of them are explained. And at experiment part, some experiments for different materials like PTFE, NBR and PU had been done.
The main aim of this work is to get sealing performance versus frictional forces of many sealing geometries in different conditions. An apparatus with a rod which make reciprocating motion in a cylinder was used to get frictional loses like in a hydraulic system. This system use two sealing element located between this cylinder and caps. Rod is connected to an aluminum ring, which has four strain gauges on it. These strain gauges are connected by full bridge to the computer and finally with the help of a program, system acting forces on this aluminum ring can be measurized. Every sealing element used in this work is tested for pressure from 0 bar to 100 bar for every 10 bar value rising. And tests were repeated for two different hydraulic fluids whose viscosities were 46 cSt and 32 cSt.
At the other hand of this work, sealing elements were tested for sealing performance. An assay balance was used during these experiments. Every seal was tested for same pressure and fluid viscosity for sealing performance like frictional loses tests. And at each time at the end of the rods one stroke, rod surface was clean by a high absorbent paper and then this paper was balanced use by assay balance. For every pressure value leakage value can be measurized and graphic of this performance was prepared.
Finally, some graphics about sealing and frictional loses for every sealing element were obtained. And these graphics present us which geometry is efficient for different pressure and different viscosity. And also with the help of the graphics that we get from aluminum ring, we can see system response for every stroke between start and end.
1. GĠRĠġ
Günümüzde sızdırmazlık elemanları biz farkında olmasak da hayatımızın büyük bölümünde rol almaktadırlar. Evlerimizde, küçük ev aletlerimizde, otomobillerimizde, endüstrinin büyük bölümünde ve daha buna benzer birçok alanda anahtar eleman görevi üstlenmiĢlerdir. Çoğunlukla değersiz, önemsiz bir eleman olarak algılanırlar ancak sebep olacakları hatalar önemli sonuçlar doğurabilir. Bir evin su sistemindeki bir sızdırmazlık problemi büyük hasarlara yol açabilir. Arabalarımızda fren sistemlerindeki hidrolik sızdırmazlık elemanları bizim için çok önemlidir. Endüstride birçok uygulamanın güvenilir Ģekilde çalıĢabilmesi sızdırmalık elemanları sayesinde olmaktadır. Ġyi bir sızdırmazlık elemanı sistemin güvenilirliğini sağlamakla birlikte, uzun ömürlü bir sistemin çalıĢmasını ömrü boyunca baĢarılı yürütmesini sağlar. Bunun için sızdırmazlık elemanları seçimi bir sistemin çalıĢması sırasında durmadan çalıĢıp yüksek kayıplara yol açmaması için dikkatlice yapılmalıdır.
Geçtiğimiz yüzyıl boyunca sızdırmazlık elemanları önemli geliĢmeler kaydetmiĢlerdir. Özellikle 1960’lardan sonra teknolojileri bakımından çok fazla iyileĢmiĢlerdir. Bu süreçte sızdırmazlık elemanlarının iĢlevlerini nasıl yerine getirdikleri daha iyi anlaĢılmıĢ ve buna göre optimum bir tasarım gerçekleĢtirilmeye çalıĢılmıĢtır. Bu tez çalıĢmasında son derece önemli olan sızdırmazlık elemanlarının tasarım ve malzeme biliminin geliĢmesine paralel olarak geliĢmesiyle ortaya çıkan yeni tür sızdırmazlık elemanları incelenmiĢtir.
Sızdırmazlık elamanları statik ve dinamik olarak iki gruba ayrılmaktadırlar. Bunlardan dinamik sızdırmazlık elemanları ise lineer ve dönel sızdırmazlık elemanları olarak iki alt gruba ayrılmıĢlardır. Her biri ayrı bir inceleme, çalıĢma konusudur. Bu çalıĢmada lineer sızdırmazlık elemanları üstünde durulacak olsa da
Lineer sızdırmazlık elemanları Makine Mühendisliği’nin temel sorunlarından biri olan sürtünme ve sızdırmazlık elemanlarının ana amacı olan sızdırmazlık konusu ele alınarak incelenmiĢtir. Sistemlerde sızdırmazlık elemanları sistemin ömrüyle doğrudan iliĢkilidir çünkü sistemin diğer elemanlarının ömrü sızdırmazlık elemanının performansına bağlıdır. Ġyi bir sürtünme değeri veren sızdırmazlık elemanı veya daha az sızdırmazlık sağlayan bir sızdırmazlık elamanı sistemin daha tutarlı olmasını sağlayacaktır. Bunun için sızdırmazlık elemanları incelenirken en iyiyi bulmak maksadıyla sızdırmazlık elemanlarının meydana getirdiği sürtünme kuvveti ve sızdırmazlığı ele alınmıĢtır.
Sızdırmazlık elemanları sürtünme ve sızdırmazlık açısından incelenirken sıcaklık, pürüzlülük, basınç, kullanılan yağın veya akıĢkanın viskozitesi ve hız değiĢimlerine göre bir çok çalıĢma yapmak mümkündür. Bu çalıĢmada öteleme hareketi yapan sızdırmazlık elemanlarının geliĢen geometrisi ve bu geometrilerdeki sızdırmazlık elemanlarının farklı viskozite ve basınç durumlarındaki sürtünme ve sızdırmazlık performanslarını incelendi.
1.1 Literatür Taraması ve Günümüzde Lineer Sızdırmazlık Elemanları
Sızdırmazlık elemanları günümüz geliĢimine gelene kadar birçok aĢamadan geçmiĢlerdir. Bu geliĢimi sağlayan Ģüphesiz yıllar boyunca yapılan çalıĢmalar ve geliĢtirilen teorilerdir. Ġlk yapılan çalıĢmalar Ġngiltere’de 1947 yılında WHITE ve DENNY tarafından yapılmıĢtır. Ġlk çalıĢmalar daha çok olayın tribolojik kısmına ait teorik çalıĢmalara dayanmaktadır. Daha sonra 1960’lı yıllarda Almanya’da konu üstüne daha geniĢ deneysel çalıĢmalar yapılmaya baĢlanmıĢtır. Aynı zamanlarda Japonya’da da bu alanda çalıĢmalar yapılmaya baĢlanmıĢtır. Bunların öncüleri HIRANO, ISHIWATA, KAMBAYASHI, KANETA ve KAWAHARA’dır. Daha sonraki yıllarda da konu hakkında çalıĢmalar yapılmıĢtır. Bunlar genellikle triboloji, temas yüzeyi ve aĢınma üstüne yoğunlaĢmıĢtır [1].
O yıllarda kullanılan sızdırmazlık elemanları genel olarak O-Ringlerdi. Sonraları simetrik geometrinin verdiği fayda düĢünülerek U-Ringler kullanılmaya baĢlandı. Ancak bunlar günümüz geometrisinden oldukça uzaktı.
CROOK 1963 yılında elastohidrodinamik yağlama teorisinin temellerini attı. Ve sonraki yıllarda bu konu hakkında çalıĢmalar hızlandı. Elastohidrodinamik yağlama araĢtırmaları endüstride birçok konuda geliĢmeye sebep oldu. DiĢliler, rulmanlar büyük geliĢmeler kaydettiler, özel akıĢkanlarla daha verimli sistemler üretildi. Bu geliĢmelerin bir kolu da sızdırmazlık elemanlarında yaĢandı [2].
Sızdırmazlık elemanları bu bilgilerin ıĢığında günümüz geometrisine kavuĢtu. ġimdi geriye dönüp bakıldığında geçmiĢte kullanılan geometrinin yüzeylerde oluĢturduğu basınç dağılımı ile günümüz modern geometrisinin oluĢturduğu basınç dağılımının belirgin farkları açıkça görülmektedir. Ġlk baĢlardaki anlayıĢta hidrodinamik yataklardaki gibi bir yağ tabakası yüzeylerde düĢünülüyordu. Bunun için yüzeyde ne kadar geniĢ yayılımlı bir basınç dağılımı olursa geri ve ileri strokta o kadar iyi bir sızdırmazlık olacağı sanılıyordu. Ancak durum bu Ģekilde değildi. Bu bölgede oluĢan çok yüksek basınç yüzeyleri aĢırı etkiliyor bu da sızdırmazlık yüzeylerinin elastik davranıĢlarını ortaya çıkarıyordu. Bunun için basıncı genele yaymak değil tek noktada toplamak sızdırmazlık açısından daha verimli bir hal yaratıyordu. ġu anda yapılan çalıĢmalar iĢte daha çok yeni geometrilerin bunu sağlaması ve aynı zamanda bu basınç değiĢimini sağlarken sürtünme kuvveti açısından da sistemdeki kayıpları asgari düzeye indirmeyi amaçlamaktadır [3].
Günümüzde yapılan çalıĢmalar sonlu elemanlar analizleri ile bize daha net olarak karĢılaĢılan durumları açıklamaktadır. Bilinen denklemlere dayanarak oluĢturulan nümerik modeller kullanılarak sistemlerde istenen parametre için sızdırmazlık ve sürtünme kayıpları rahatlıkla incelenebilmektedir. Son yıllarda yapılan çalıĢmalarda daha çok bu konularda yoğunlaĢılmıĢtır.
Sızdırmazlık elemanları incelenirken birçok parametrenin sebep olduğu sonuçlar araĢtırılabilir. DeğiĢik geometriler ya da malzemeler farklı farklı ortam parametrelerinde test edilebilir. Bunlardan biri pistonların yüzey pürüzlülüğüdür. PAPATHEODOROU T. bu konu üstüne bir çalıĢma yapmıĢtır. ÇalıĢmasında sert krom kaplı piston kullanmıĢtır. Farklı yüzey pürüzlülüklerinde sızdırmazlık elemanlarının performanslarını denemiĢtir ve ideal bir pürüzlülüğün önemini
Sızdırmazlık elemanlarında bir baĢka baĢlık kullanılan sızdırmazlık elemanı malzemesidir. SUI H., PAHL H., SCHOMBURG U., UPPER G., HEINE S. yaptıkları çalıĢmada PTFE malzemeden üretilmiĢ sızdırmazlık elemanlarını aĢınma ve sürtünme kaybı performansları açısından incelemiĢlerdir. Yaptıkları deneyleri sonlu elemanları analizleri ile karĢılaĢtırıp birbirlerine yakın sonuçlar alan araĢtırmacılar, PTFE sızdırmazlık elemanları için değiĢken pürüzlülükteki yüzeylerde aĢırı aĢınma meydan geldiği ve 5 barın üstündeki çalıĢma basınçlarında PTFE malzemelerin sürtünme kayıpları ve aĢınmalarının hızla arttığı sonucuna varmıĢlardır. Bu PTFE malzemenin karakteristik bir özelliğidir [5].
KASEM A. Yaptığı çalıĢmada sızdırmazlık elemanları malzemelerini incelemiĢtir. Bir sızdırmazlık elemanını nümerik olarak modellemiĢ ve bu model üstünde malzeme özelliklerini değiĢtirerek değiĢik sıcaklık ve basınç ortamlarında alınan değerlere göre optimum sızdırmazlık elemanı malzemesini belirlemiĢtir. Bu çalıĢmaya göre her basınç ve sıcaklık ortamında en iyi sızdırmazlık elemanı malzemesi yüksek sertlik ve düĢük viskozite gösteren ve ayrıca plastiklik özelliği gösteren malzeme olarak açıklanmıĢtır [6].
Sızdırmazlık elemanları üzerinde yapılan baĢka çalıĢmalarda yüzeyler arasında oluĢan sıvı filmi üstüne olmuĢtur. NISHIKAWA H., HANDA K., KANETA M. yaptıkları çalıĢmada ve KANETA M., TODOROKI H., NISHIKAWA H., KANZAKI Y., KAWHARA Y. yaptıkları çalıĢmada aynı konu üstünde durmuĢlardır. Yapılan bu çalıĢmalarda optik interferometre denilen bir teknik kullanılarak çeĢitli yüzey pürüzlülüğü ve elastik uç geometrileri değiĢtirilerek oluĢan sıvı filmi izlenmiĢtir. ÇalıĢmalar sonucunda düĢük hızlarda kalın film, kısa strok ve yüksek frekanslı çalıĢma durumunda hava kabarcıklı filmler gözlenmiĢtir. Ayrıca yüzeyler arası kesintisiz bir EHL rejimi oluĢturulduğunda sıvının Newtoniyen olmayan bir hal aldığı gözlemlenmiĢtir [7,8].
THATTE A., SALANT F.R. da yaptıkları çalıĢmada sıvı filmini incelemiĢlerdir. Yüzeyler arasındaki elastohidrodinamik film davranıĢını incelemek için bir nümerik model oluĢturmuĢlar ve bu model ile ileri ve geri strok durumlarını incelemiĢlerdir. Modellerini filmin süreksiz olduğu kavramı üzerine kurmuĢlardır. Böylece bu nümerik model üstünden ileri ve geri strok durumlarındaki sıvı filmi davranıĢlarının birbirinden tamamen farklı olduğunu kanıtlamıĢlardır [9].
SALANT F.R. yaptığı bir baĢka çalıĢmada ise yine bir nümerik sızdırmazlık elemanı modeli oluĢturmuĢ ve bu model üstüne yaptığı çözümleme sonucunda tipik bir sızdırmazlık elemanının karıĢık rejimli bir sıvı filmi oluĢturduğu sonucuna varmıĢtır. Bu filmin oluĢmasında ise yüzey pürüzlülüğü ile hızının doğrudan rol aldığını açıklamıĢtır [10].
Son yıllarda sızdırmazlık elemanlarının geometrileri üzerine de çalıĢmalar yapılmıĢtır. Bunlardan biri YANG B. ve SALANT F.R.’ın yaptığı çalıĢmadır. Bu çalıĢmada çift dudaklı bir lineer sızdırmazlık elemanı incelenmiĢtir. Bu elemanın nümerik bir modeli oluĢturulmuĢ ve bu model üstünde ileri ve geri strok durumları için sızdırmazlık, film kalınlığı dağılımı, temas yüzeyinde basınç dağılımı ve oluĢan sürtünme kuvveti sonuçlarını incelemiĢlerdir. Sonuç olarak çift dudaklı sızdırmazlık elemanının tek dudaklı sızdırmazlık elemanına göre aynı sızdırmazlık karakteristiklerini gösterdiği, ancak ikinci dudağın birinci dudaktaki basıncın artmasına yardımcı olduğu sonucuna varmıĢlardır [11].
NIKAS G.K. ve SAYLES R.S. yaptıkları çalıĢmada ise yeni bir fikri denemiĢlerdir. ÇalıĢmalarında iki ya da daha fazla sızdırmazlık elemanı art arda monte edilerek kullanıldığı durumu incelemiĢlerdir. Her ne kadar montaj ve tasarım bakımından zorlu olsa da bu durumu nümerik olarak modellemiĢler ve gerçek deneylerle de karĢılaĢtırmıĢlardır. Sonuç olarak sıralı monte edilen sızdırmazlık elemanlarının nasıl daha iyi sızdırmazlık sağladıklarını açıklamıĢlardır. ÇalıĢmalarında özellikle sıcaklık arttıkça bu çözümün çok daha verimli hale geldiğini aktarmıĢlardır [12].
RIGA A. ise sızdırmazlık elemanları üstüne farklı bir çalıĢma yapmıĢtır. Her üründe olduğu gibi sızdırmazlık elemanları da hataları bakımında incelenmektedir. Bu çalıĢmada ise RIGA A. sızdırmazlık elemanlarında termal olarak hata analizi yapılabileceğini aktarmıĢtır. Otomotiv endüstrisinde kullanılan sızdırmazlık elemanlarını ele alarak açıkladığı çalıĢmasında hata analizinin nasıl ve hangi yöntemlerle daha uygun olduğunu aktarmıĢtır [13].
2. SIZDIRMAZLIK ELAMANLARI VE SINIFLANDIRILMASI
Sızdırmazlık elemanları en genel anlamda statik sızdırmazlık elemanları ve dinamik sızdırmazlık elemanları olarak sınıflandırılırlar. Sızdırmazlık elemanları statik sistemlerde veya hareketli sistemlerde sızdırmazlık sağlarlar. Bazı türler hem statik hem dinamik durumda sızdırmazlık için kullanılmaktadır.
Bu çalıĢmada öteleme hareketi için sızdırmazlık elemanları üstüne çalıĢılmasına rağmen statik sızdırmazlık elemanları da incelenmiĢtir. Çünkü deneyler için kullanılan tesisatta dahi statik sızdırmazlık için O-Ring’ler kullanılmaktadır. Ayrıca sızdırmazlık konusu günümüze statik sızdırmazlık elemanlarında geliĢerek gelmiĢtir. Sızdırmazlık elemanları, statik sızdırmazlık elemanlarından baĢlanarak ele alınmıĢtır. Statik sızdırmazlık elemanı olarak kullanılan O-Ring, X-Ring gibi türler statik bakımdan açıklanıp dinamik sızdırmazlık elemanları baĢlığı altında ise dinamik durumdaki davranıĢları aktarılmıĢtır.
2.1 Statik Sızdırmazlık Elemanları
Hareketin olmadığı durum dinamik duruma göre çoğu zaman tasarım bakımından daha kolaydır. Ama bir bu kadarda önemlidir, çünkü hemen hemen her sistemde statik bir sızdırmazlık ihtiyacı vardır. Bunun için zor sayılabilecek dinamik sızdırmazlık sağlanmadan önce mutlaka sistem veya tesisat statik sızdırmazlık sağlanması gereken noktalarında ele alınmalıdır. Bu ihtiyaç çeĢitli geometri ve malzemedeki sızdırmazlık elemanlarıyla giderilir. Bunlardan en çok kullanılanı O-Ring denilen elemanlar olmakla beraber, O-O-Ring dıĢında kullanılan ve yer yer daha üstün özellikleri bulunan elemanlarda mevcuttur. Bu elemanların malzemeleri, geometrileri, kullanım avantajları ve dezavantajları Ģu Ģekildedir:
2.1.1 O-Ringler
2.1.1.1 Elastomer O-Ringler
En genel kullanılan sızdırmazlık elemanlarından biri elastomer O-Ringlerdir. Statik sızdırmazlık amacıyla en yaygın olarak kullanılan elemanlardır. O-Ring kullanılan sistemlerde O-Ringin yatağı iyi tasarlanması gerekmektedir. O-Ring yatağının tasarımı oldukça kolaydır. Ancak iyi bir sızdırmazlık için kurallara uygun uyumlu bir yatak tasarlamak gereklidir. Bu kurallar bilgi eksikliği veya ekonomik sebeplerden dolayı göz ardı edilmekte ve buda sorunlara sebep olmaktadır.
ġekil 2.1 : O-Ring.
O-Ring kanalı bir eksende baĢlangıç basıncının yaklaĢık olarak %15-20’si arası basınç verecek Ģekilde tasarlanır. Kullanılan tasarım standardı ve kesite bağlı olan bu oran %7 ile %30 arasındadır. Bu sıkıĢtırma sızdırmazlık yapılacak alanlara dik konumdadır. Doğru sıkıĢtırma oranı seçimi önemlidir. Tabi ki tasarım yapmadan önce kullanılacak malzemeyi ve uygulanacak sistemi ele almak gerekir. O-Ringlerde çoğu tasarım standardı genel kullanılan malzemelere içindir. Ancak bazı malzemeler için örnek olarak yüksek sıcaklıkta düĢük dayanımlı malzeme gibi durumlarda tasarım yeniden ele alınmalıdır. Bu durumlarda normal olarak %20-25 arası kullanılan sıkıĢtırma oranı maksimum %13-15 arasına çekilmelidir [14].
O-Ringlerde sadece bir eksende sıkıĢtırma yapılır. Diğer eksende O-Ring serbest haldedir. Bu durum en önemli kuraldır.
ġekil 2.2 : O-Ring kanal içi durumu.
Sızdırmazlık elemanı kanalına yerleĢtirilip sıkıĢtırıldığında kanalın karĢı duvarlarına kuvvet oluĢturur. Bu baĢlangıç kuvveti küçüktür. Sisteme basınç uygulandığında ise serbest halde olan O-Ring basıncın karĢı tarafına doğru hareketlenir. Bu halde sızdırmazlık elastomerin kendine has özellikleriyle sağlanır. Elastomer oluĢan basınçla eksen boyunca zorlanır ve bir sıvı gibi akma eğilimi gösterir. Bu durumda boĢluklara yerleĢen elastomer sızdırmazlığı sağlar. Ancak aĢağıdaki durumlarda sızdırmazlık hatalı olabilir:
Kanal boyunca karĢı yüzeylerin hareketiyle elde edilen sıkıĢtırma oranının azalması
Elastomerin kanal dıĢına ektrüzyonu, akması
O-Ringin elastomerin özelliğini kaybetmesiyle eskimesi
DüĢük sıcaklığa bağlı olarak elastomerin özelliğini kaybetmesi veya elde edilen sıkıĢtırma oranının kaybedilmesi.
O-Ring kanalı genellikle dikdörtgen kesitli olarak yapılır. Bu tasarım açısından kolaylık sağlar, gerekli toleransları vermek kolaydır. Ancak bazı üreticiler son yıllarda farklı kesitli kanallar tercih etmektedirler. Bunlardan biri Ģekilde görülen üçgen kesitli kanal tasarımıdır. Bunun avantajı ekstrüzyon olayının önlemekle beraber değiĢik çalıĢma Ģartlarında daha verimli olmaktadır. Ancak bu tasarımda montaj dikkatli yapılmalıdır, montaj zorluğu vardır [15].
ġekil 2.3 : Üçgen kesitli O-Ring kanalı. Bundan farklı trapez kanal tasarımı da kullanılmaktadır.
ġekil 2.4 : Trapez O-Ring kanalı [15].
Kanal tasarımı dıĢında ekstrüzyonu önlemek için O-Ring tasarımında da önlemler alınmıĢtır. Bu da O-Ringe ek olarak bir Back-up Ring denilen destek halkasının yerleĢtirilmesidir.
Ekstrüzyonu önlemek için kullanılan bu destek halkalarının malzemeleri çok önemlidir, çünkü bu halkalar basınca karĢı oluĢan Ģekil değiĢimlerini tolere edebilmelidirler. Destek halkaları çoğunlukla PTFE malzemeden imal edilirler. Bazen yüksek basınçlarda daha elveriĢli olan bronz veya Ģekildeki gibi konfigürasyonla iki farklı özellikteki plastik malzemeli destek halkaları kullanılır.
ġekil 2.6 : Ġki farklı malzemeli back-up ring uygulaması. 2.1.1.2 Plastik O-Ringler
Plastik O-Ringlerin kullanımı çok yaygın değildir. Çünkü plastik sızdırmazlık kuvvetini karĢılar ve gereken esnekliği gösteremez. Ancak örnek olarak kimyasal durumlar gibi bazı durumlarda plastik O-Ringler kesitin rijitliğini korumak amacıyla kullanılmaktadırlar. Bu gibi durumlarda yinede gerekli sızdırmazlığı sağlamak için plastik O-Ring bir elastomer kılıf ile kaplanır.
ġekildeki gibi bir O-Ring uygulamasında plastik halka rijitliği sağlar, elastomer kılıf ise sızdırmazlık kuvvetleriyle akma göstererek gerekli boĢlukları doldurur ve daha iyi bir sızdırmazlık sağlanır. Ancak bazı problemler vardır. Plastik metal ile gerekli uyumu gösteremez, çoğu zaman daha fazla kuvvet uygulanması gerekir, elastomer gereken değiĢikliği gösterir ama plastiğin değiĢimi de ele alınması gereklidir. Bu nedenlerden dolayı özellikle kimyasal ortamlar dayanımı sağlamak için plastik O-Ringler yerine baĢka malzemeler ile baĢka tasarımlar tercih edilmeye baĢlanmıĢtır.
2.1.1.3 Metal O-Ringler
Metal O-Ringler elastomer ve plastik O-Ringlerin dayanamadığı ortam koĢullarında kullanılırlar. Radyasyona, yüksek sıcaklıklara dayanıklıdırlar. 850oC gibi yüksek
sıcaklıklarda kullanılırlar. Bu nedenle nükleer sistemler, yüksek vakumlu sistemler veya güç santrallerinde kullanılır. Ġçi boĢ basınçlı tüp Ģeklinde olanları vardır. Ayrıca C Ģeklinde olan tipleri vardır(C-Ring) [15].
ġekil 2.8 : Metal O-Ring tipleri.
Bakır ya da paslanmaz çelik malzemeden imal edilirler. Sızdırmazlık bu malzemelerin esnekliğiyle oluĢur. Ayrıca tüp Ģekli veya C tipi bir esneklik kazandırır. Kaplamalı olan tipleri de vardır; bu kaplamalar metal O-Ringe daha iyi bir sızdırmazlık özelliği kazandırır. Bu kaplamalar sızdırmazlık boĢluklarına akıcılık gösterir ve sızdırmazlık kolaylaĢır. Kaplama malzemeleri çoğunlukla nikel, gümüĢ, plastik ve teflondur.
2.1.2 Dikdörtgen kesitli halkalar
Dikdörtgen kesitli halkalar O-Ringlerin yerine kullanılabilecek sızdırmazlık elemanlarıdır. Büyük kütleler halinde kalıplanırlar ya da tüp Ģeklinde parçalardan kesilerek imal edilirler. Daha çok büyük kütleli sistemlerde kullanılırlar. O-Ringlere göre basınç altında akmaya karĢı daha dayanıklıdırlar. Bu nedenle büyük kuvvet uygulanan durumlarda aĢınma ve sürtünme ile oluĢan kayıplar daha azdır.
ġekil 2.9 : Dikdörtgen kesitli halka ve basınç altında davranıĢı. 2.1.3 X kesitli halkalar
X kesitli halkaları O-Ringlerin alternatifi olarak geliĢtirilmiĢlerdir. Sızdırmazlığı sağlayan iki ayrı temas yüzeyi mevcuttur. Bu yüzey sayesinde daha etkin bir sızdırmazlık sağlanır. O-Ringlere göre daha dar kanallara ihtiyaç duyarlar, ayrıca daha geniĢ toleranslarda yerleĢtirilmeye uygundurlar. Tek negatif yönü kesit geometrisinden dolayı 8-10 bar basınç aralığına kadar çalıĢabilirler. Ancak yine de O-Ringlerde görülen ve X kesitli halkaların dizaynına yol açan burulma olayı bu X kesitli halkalarda görülmez. Bu önemli bir avantajdır. Çünkü O-Ringler bu nedenden dolayı sızdırmazlıkta kimi zaman önüne geçilemeyen sorunlar çıkarmaktadırlar.
2.1.4 T kesitli halkalar
Aslında daha önce aktarılan sızdırmazlık elemanları gibi T halkalarda öteleme hareketlerinde kullanım olarak daha yaygındır. Ancak statik sızdırmazlık elemanı olarak da kullanılabilirler. T halkalar O-Ringlerin çalıĢamadığı ağır ortam Ģartlarında sızdırmazlık için en uygun elemanlardır. Çünkü daha geniĢ bir temas yüzeyi ile sızdırmazlık sağlarlar. Ayrıca bir baĢka üstünlüğü de T halkaların dıĢ kısmında iki ayrı destek halkası bulunur; bunlar ile T halkalar ekstrüzyona karĢı oldukça dayanıklıdırlar. Destek halkaları çoğunlukla plastik esaslı malzemedendirler. Bu destek halkaları ortam basıncıyla uygulamaya geçer. Temel olarak bir T halkası Ģekilde görüldüğü gibidir [16]:
ġekil 2.11 : T-Ring.
ÇalıĢma prensibi olarak O-Ringler ile aynı özelliktedirler. Ancak bahsedildiği gibi temas yüzeyleri fazla olduğundan daha iyi bir sızdırmazlık sağlarlar. Uygulanan basınç ile sızdırmazlık elemanının ince kısmı destek halkaları arasında Ģekil değiĢtirerek boĢlukları doldurur ve sızdırmazlığı sağlar. Burada destek halkaları ekstrüzyonu önlerler. Ayrıca bu destek halkaları ile T halkalarda O-Ringlerde sık sık görülen burulma denilen olay görülmez.
Destek halkalarının malzemeleri çalıĢacağı uygulamaya göre farklı malzemelerden seçilebilir. Çoğunlukla naylon, PTFE gibi plastik esaslı malzemeler kullanılır. Ancak yüksek sıcaklıklarda veya yüksek basınç durumunda PEEK (Polietereterketon) kullanılmaktadır.
2.1.5 L kesitli halkalar
T halkalar ile oldukça benzerdirler. Tek destekleme halkası bulunur ve bu halkanın tersi yönündeki basınçlı ortama karĢı sızdırmazlık sağlarlar. Yani tek yönden basınç olduğu durumlarda kullanılırlar. Temel olarak Ģekilde görüldüğü gibidir.T halkalarda olduğu gibi daha dayanıklı elastomer ve destek halkası malzemesi tercih edilir. O-Ringe göre daha ağır Ģartlarda sızdırmazlık sağlarlar.
ġekil 2.12 : L-Ring. 2.2 Dinamik Sızdırmazlık Elemanları
Dinamik sızdırmazlık statik sızdırmazlıktan daha önemli bir problemdir. Dinamik sızdırmazlık için kullanılan çoğu eleman statik durumda da sızdırmazlığı sağlamaktadır. Statik sızdırmazlık baĢlığı altında incelenen çoğu eleman dinamik sızdırmazlık baĢlığı altında da bunların dinamik koĢullarda davranıĢlarını ele alarak incelenmiĢtir.
Dinamik sızdırmazlık elamanları iki ayrı grup olarak ayrılmaktadırlar. Biri dönel hareket için kullanılan sızdırmazlık elemanları diğeri ise öteleme hareketi için kullanılan sızdırmazlık elemanlarıdır. Bu çalıĢmada öteleme hareketi için sızdırmazlık elemanları incelenecek olsa da dönel hareket için kullanılan sızdırmazlık elemanları hakkında da kısada olsa bilgi verilecektir.
2.2.1 Dönel sızdırmazlık elemanları
Dönel millerin sızdırmazlığını sağlayan dönel sızdırmazlık elemanları çok geniĢ bir uygulama alanına sahiptirler. Büyük boru hatları, güç santralleri, ev aletleri, otomotiv gibi birçok uygulamada dönel sızdırmazlık elemanları kullanılmaktadır. Kullanıldığı yere göre isimleri değiĢen bu sızdırmazlık elemanları genel olarak yağ keçeleri veya dudaklı sızdırmazlık elemanları olarak adlandırılmıĢlardır. Dudaklı sızdırmazlık elemanları yapısındaki sızdırmazlık sağlayan kısımlardan dolayı böyle bir isim almıĢlardır. Bu sızdırmazlık elemanları dinamik tipte sızdırmazlık sağlayan elemanlardır. Dudak denilen sızdırmazlık elemanı bölümü, basit bir tip sızdırmazlığı sağlamasına karĢı uygulamadaki baĢarı, mil ile bu bölüm arasındaki sağlanabilen birim yüke bağlıdır. Bu yük önemli olduğundan dönel sızdırmazlık elemanlarında yaylar kullanılmaktadır. Bu yay ve montaj sırasında verilen ön yük sızdırmazlık için gereken birim yükü sağlar. Tipik bir dönel sızdırmazlık elemanı aĢağıdaki Ģekilde görüldüğü gibidir:
ġekil 2.13 : Dönel sızdırmazlık elemanı.
ÇalıĢma Ģartlarında oluĢan sürtünme, buna bağlı artan sıcaklık sızdırmazlık elemanı ömrü ile doğrudan alakalıdır. Sızdırmazlık elemanı oluĢan iç basınçtan da etkilenir. Çoğunlukla maksimum 0,5 bar’a kadar iç basınçta iyi performanslıdırlar. Kullanılan sızdırmazlık elemanı malzemesi ve kullanılan yüzey pürüzlülüğü diğer bir çalıĢma performansı değiĢkenidir. Bu parametreler üstüne zaman içinde çalıĢmalar yapılmıĢ ve malzeme, çalıĢılan ortam ve bunlara bağlı olarak oluĢan sıcaklık ve sürtünme kayıplarını ortaya koyan çalıĢmalar yapılmıĢtır.
Bunların dıĢında dudaklı dönel miller için olan sızdırmazlık elemanlarında zaman içinde sızdırmazlığı iyileĢtirmek yani daha az sızdırmazlık sağlamak için dudak geometrilerinde bazı çalıĢmalar yapılmıĢ ve bunlara bağlı olarak yeni geometriler ortaya çıkarılmıĢtır. Tırtıl veya boĢluk denilen küçük boĢlukların sızdırmazlık sağlanan bölgede iyileĢtirmeler yaptığı gözlemlenmiĢtir. Bu boĢluklar sayesinde hava olan bölgede yağ sızmasını engelleyen geri bir pompalama mekanizması gözlenmiĢtir. Pompalama boĢluğu denilen bu boĢluklar milin dönme yönüne göre ayrı etkiler göstermektedirler.
Statik sızdırmazlık elemanlarında olduğu gibi dönel sızdırmazlık elemanları içinde sızdırmazlık elemanının yuvasının tasarımı çok önemlidir. Dönel sızdırmazlık elemanlarında yuva ile sızdırmazlık elemanı arasında kalan bölgedeki sızdırmazlık statik sızdırmazlıktır. Bunun için sızdırmazlık elemanı yuvaya pres geçme ile montaj edilir. Yuvada oluĢabilecek sıcaklık bu durumların dıĢında sızdırmazlık için önemli bir maddedir. Çünkü sıcaklıkla genleĢen yuvada sızdırmazlık elemanının tolere edemeyeceği bir boĢluk oluĢabilir. Bunun için metal kaplı sızdırmazlık elemanlarından kauçuk kaplı sızdırmazlık elemanları daha iyi sonuç vermektedirler. Kauçuk sıcaklık ile genleĢerek bu boĢluklardan oluĢabilecek sızdırmayı önler. Yuva sıcaklık dıĢında ele alınırsa iyi iĢlenmiĢ olması gereklidir. Ġki yüzeyde oluĢabilecek çizikler sızdırmazlığı engeller. Buna ek olarak iĢlenirken yuvaya sızdırmazlık elemanının kolay monte edilebilmesi için koniklik verilebilir.
2.2.2 Lineer sızdırmazlık elemanları
Biz farkında olmasak da kullandığımız çoğu makinede öteleme hareketi için kullanılan lineer sızdırmazlık elemanları vardır. Ġçten yanmalı bir motorun silindir-piston arasında, ya da dizel motorların yakıt pompalarında öteleme hareketi için kullanılan lineer sızdırmazlık elemanları bulunmaktadır. Ayrıca çoğu yerde kullanılan hidrolik sistemlerin hepsinde öteleme hareketi için sızdırmazlık elemanları bulunmaktadır. Örnek olarak bir otomobilin fren sisteminin çalıĢması için lineer sızdırmazlık elemanı bulunması ve doğru çalıĢması gerekmektedir. Görüldüğü gibi öteleme hareketi için kullanılan sızdırmazlık elemanları biz farkında olmasak da
Öteleme hareketinde çok çeĢit sızdırmazlık elemanları kullanılmaktadır. Bunların bazıları küçük ebatlarda iyi iĢlev görebilmesine karĢı büyük çaplı sistemlerde daha farklı tasarımlara ihtiyaç duyulmuĢtur. Bu nedenle birçok farklı tasarım geliĢtirilmiĢtir. GeliĢen teknoloji ile teorik yönde de kaydedilen geliĢmeler daha iĢlevli tasarımların bulunmasına yardımcı olmuĢtur. ĠĢte bu sebeplerden dolayı bu çalıĢmada çok çeĢitleri bulunan lineer sızdırmazlık elemanlarının eskiden beri yaygın olarak kullanılan ve günümüzde yaygınlaĢmaya baĢlayan geometri ve malzemelerinin sistem üstüne negatif ve pozitif etkileri incelenmiĢtir.
Öteleme hareketi için en genel kullanılan sızdırmazlık elemanları dudaklı sızdırmazlık elemanlarıdır. Ancak bunlardan önce kullanılan, dudaklı sızdırmazlık elemanlarının geliĢimiyle dinamik olarak kullanılmayan diyebileceğimiz sıkıĢtırma keçeleri denilen elemanlar da bu grupta bulunmaktadır. Önce dudaklı sızdırmazlık elemanlarını incelemeden önce bu sıkıĢtırma keçelerine hakkında bilgi verilmiĢtir. Bu keçeler daha önce statik sızdırmazlık elemanlarını sıralarken ele alınmıĢtı. Ancak Ģimdi dinamik duruma göre bir kez daha incelemek gereklidir. Bu sızdırmazlık elemanları O-Ring, T-Ring ve X-Ring’lerdir.
2.2.2.1 O-Ringler
O-Ringler dinamik olarak kullanılacaksa yine sıkıĢtırılarak monte edilirler. Ancak bu sıkıĢtırma oranı fazla olursa bunun sistem için sakıncaları vardır. O-Ring dinamik uygulamadan önce hafifçe yağlanır. Mil harekete baĢladığında O-Ring de yuvarlanmaya baĢlar, iki yüzey arasında bir yağ filmi oluĢur. Bundan sonra bir kayma hareketi baĢlar. Bu kayma hareketi ve oluĢan film ile sızdırmazlık sağlanır. O-Ringlerin dezavantajlarından biri ilk baĢta söylendiği gibi sıkıĢtırma oranı eğer çok yüksek olursa O-Ringin yuvarlanması zorlaĢır ve oluĢan sürtünme çok fazlalaĢır, O-Ring aĢınmaya uğrar. Ayrıca bundan baĢka O-Ringler burulma denen olayla karĢılaĢabilirler, bu da sızdırmazlığı engelleyici olur. Burulma O-Ringin geometrisinden dolayı bazen kaçınılmaz olur. Ancak yine de bu dezavantajlarına rağmen O-Ringler ucuz olmalarından, kapladıkları alanın az olmasından, yuvalarının hazırlanması kolay olduğundan ve çift taraflı olduğundan sağladığı montaj kolaylığı ve çift taraflı sızdırmazlık gibi nedenlerle çok tercih edilmektedirler.
ġekil 2.14 : Burulma durumunda O-Ring. 2.2.2.2 X-Ringler
X-Ringler, O-Ringler gibi dinamik uygulamalarda da kullanılırlar. Hatta O-Ringlere göre dinamik uygulamalarda üstünlükleri vardır denebilir. Dinamik uygulamada kullanılan X-Ring mutlaka yağlanmalıdır. Yağlanan sızdırmazlık halkası milin hareketi ile bir yağ filmi üstünde kaymaya baĢlar ve bu da sızdırmazlığı sağlar. X-Ringlerde geometrisinin verdiği bir avantaj olarak, O-X-Ringlerde görülen spiral burulma olayı görülmez. Ayrıca X-Ringler 50 bar basınca kadar O-Ringlere göre daha az sürtünme kuvveti verirler ve daha iyi sızdırmazlık sağlarlar [14].
2.2.2.3 T-Ringler
T-Ringler statik sızdırmazlıkta olduğu gibi öteleme hareketlerinde de ağır ortam Ģartlarında kullanılırlar. Statik sızdırmazlık altında incelenen T-Ringler öteleme hareketi için statik sızdırmazlığa göre daha kullanıĢlıdırlar. T-Ringler destek halkaları ile akmaya karĢı olan dirençleri ile ve geniĢ temas yüzeyi ile iyi sızdırmazlık sağlarlar. Ancak dinamik çalıĢma sırasında T-Ringlerin sızdırmazlık yüzeyi yağlanmalı ve baĢta oluĢacak sürtünme minimuma indirilmelidir. Öteleme hareketine baĢlayan sistemin sızdırmazlık yüzeyinde kısa bir süre sonra yağ filmi oluĢur. Daha sonra detaylı incelenecek bu durum sızdırmazlığı sağlar.
2.2.2.4 Teflon halkalı sızdırmazlık elemanları
Teflon halkalı sızdırmazlık elemanları bir teflon destek halkası ve bir sıkıĢtırma keçesinden oluĢur. Destek halkası malzemesi olarak seçilen teflon bilindiği gibi düĢük sürtünme katsayılı bir malzemedir. Bundan dolayı sızdırmazlık elemanının kullanıldığı yere göre teflon halka iç halka veya dıĢ halka olarak kullanılmakta ve temas yüzeyinde düĢük sürtünme kuvveti yaratmaktadır. Pistona bağlı sızdırmazlık elemanı olarak kullanıldığında halka dıĢ tarafta, boğaza bağlı sızdırmazlık elemanı olarak kullanıldığında halka iç tarafta bulunmaktadır. AĢağıdaki Ģekilde bunların örnekleri vardır:
Teflon sürtünme katsayısı bakımından iyi bir malzeme olmasına karĢı sızdırmazlık açısından yeterli üstünlükte değildir. Bu yüzden teflon halkalı sızdırmazlık elemanlarında sızdırmazlık önemli bir sorundur. Ancak diğer üstünlükleri göz ardı edilemez. Bunlardan dolayı kullanımları yaygındır. Bu üstünlüklerinden en önemlileri; bahsedilen sürtünme karakteristiği ve bundan dolayı baĢlangıçta diğer sızdırmazlık elemanlarında görülebilecek stick-slip olayının görülmemesi, uzun statik duruĢlarda adhezyon olmaması nedeniyle yüzeyde bir yapıĢmanın gözükmemesi, farklı kimyasal ortamlarda çalıĢabilir olmaları ve yüksek hızlarda çalıĢabilmeleridir [16]. AĢağıda Ģekilde uygulama durumunda teflon halkalı sızdırmazlık elemanları görülmektedir:
ġekil 2.17 : Uygulama durumunda teflon halkalı sızdırmazlık elemanları [17]. 2.2.2.5 V-Ringler ve takım halkalar
Dudaklı keçe olarak adlandırılan gruba dahil olan V-Ringler ve takım halkalar daha az kesit alanı ile daha yüksek basınçlarda sızdırmazlık sağlayan sızdırmazlık elemanlarıdır. V-Ringlerin tek kullanımları yaygın değildir, çoğunlukla takım olarak kullanılırlar. Takım halde kullanıldıkları zaman en az 3 halka olarak kullanılırlar. AĢağıda Ģekilde bunlara ait bazı uygulamalar görülmektedir:
V-Ringlerin çalıĢma ilkesi basınca karĢı gösterdiği davranıĢla ilgilidir. Basınca göre V-Ring deforme olur ve sızdırmazlığı sağlar. Basınç artıkça V-Ring geniĢler ve sıkılık miktarı fazlalaĢır. Bu durum pompalama hareketi içindir. Vakum yani geri dönüĢ durumunda basınç azaldıkça sıkılığı azalır buda sürtünmeyi azalttığından hareket kolayca gerçekleĢir.
Hareketli olduğu durumlarda halkaların yağ filmi oluĢturabilmesi çok önemlidir. Ayrıca statik durumdan dinamik duruma geçerken oluĢabilecek yapıĢmayı önlemek için keçe yüzeyleri yağlanmalıdır. Ayrıca bu iyi iĢlenmiĢ bir yüzey de gerektirir. V-Ringler boğaz veya piston sızdırmazlık elemanları olarak kullanılabilmektedirler, çünkü çift taraflı yani simetriktirler. Pistonda olduğunda hareketlidirler. Boğaza monte edildiklerinde hareketli değildirler. Pistonda kullanımları U-Ringler göre daha azdır. Takım halkası olarak kullanıldıklarında, takımın baĢlangıç ve bitiĢlerinde bir erkek ve bir diĢi adaptör halka kullanılır. Erkek ve diĢi adaptörlerin görevleri diğer takım halkalarını desteklemektedir. Bunlar diğer halkalara uygun bir destek sağlaması için aynı açıda imal edilirler. Bu adaptörler genellikle metal, sert homojen kauçuk, kösele ve bez takviyeli kauçuktan yapılırlar. DiĢi ve erkek adaptörün malzemesi önemlidir. Özellikler diĢi adaptör önemlidir. Çünkü sistemde akmaya en çok zorlanan diĢi adaptördür. Sert malzeme seçilirse akma görülmez ama diğer halkalar üstünde basınç fazlalaĢır ve aĢınma artar. YumuĢak malzemeden seçilen diĢi adaptör çabuk akar ve kendi aĢınır. Bu da takımın ömrüne etkir. Kısacası diĢi adaptörün ömrü takım halkaların ömrüne eĢittir. AĢağıdaki Ģekilde diĢi ve erkek adaptörler açık olarak görülmektedirler.
Bunların dıĢında bu uygulamalarda bazı halkalar montaj kolaylığı sağlamak amacıyla belirli bir noktada kesik üretilebilirler. Bunlarda dikkat edilmesi gereken bu kesikli bölgelerin arka arkaya gelmemesidir.
En genel olarak bakılırsa V-Ringler ve takım halkaların önemli avantajları aĢağıdaki gibidir:
Parçalı tip boğaz kanalı tasarımından dolayı sızdırmazlık kanalı yüksekliği ayarlanabilir.
ÇalıĢma yüzeyindeki bölgesel bozuklukları çok dudaklı yapısıyla absorbe edebilirler.
Çabuk monte ve demonte edilirler.
DiĢi adaptör malzemesine bağlı olarak uzun kullanım süreli olarak kullanılabilirler.
Takım halkalı yapılar çok temas yüzeyi ile hem yüksek hem de düĢük basınçta çok iyi sızdırmazlık sağlarlar [15].
2.2.2.6 Piston baĢı sızdırmazlık elemanları
Özellikle pistonlarda sızdırmazlığı sağlayan sızdırmazlık elemanlarıdır. Daha önce bahsedilen sızdırmazlık elemanlarının hemen hemen hepsi hem boğaz hem de piston kullanım için uygundur. Ancak piston baĢı sızdırmazlık elemanları yalnızca pistonlarda kullanım için tasarlanmıĢlardır.
Ġlk piston baĢı sızdırmazlık elemanı örnekleri köseleden imal edilmekte ve hidrolik sistemlerde kullanılmaktaydı. Ancak kösele sert bir malzeme olduğundan aĢırı sürtünme, buna bağlı olarak ısınma ve deformasyona sebep olmaktaydı. Daha sonraları tabakalar halinde bezler kullanılmaya baĢlandı ve daha elveriĢli sızdırmazlık elemanları elde edildi. Günümüzde ise bez veya kösele takviyeli kauçuktan imal edilmektedirler.
Yaygın olarak kullanılan iki tip geometride piston baĢı sızdırmazlık elemanı vardır. Bunlar düz kenarlı ve yuvarlak kenarlı piston baĢı sızdırmazlık elemanlarıdır. Genel olarak benzer özellikler gösterseler de düz kenarlı olan montaj bakımından destek plakasının buna uygun daha kolay hazırlanabilmesinden dolayı daha avantajlıdır. AĢağıdaki Ģekilde bazı düz kenarlı ve yuvarlak kenarlı piston baĢı sızdırmazlık elemanları verilmiĢtir [18].
ġekil 2.20 : Piston baĢı sızdırmazlık elemanları.
Piston baĢı sızdırmazlık elamanlarında en önemli nokta sisteme montajlarıdır. Hassas montaj edilmelidirler, çünkü biraz az veya biraz çok sıkıĢtırmaları durumunda hatalara sebep olurlar. Az sıkıĢtırılan bir sızdırmazlık elemanı monte edildiği pistonda dengesizlik yaratabilir, sızdırmazlık istenildiği gibi sağlanamayabilir. Çok fazla sıkıĢtırılma yapıldığında ise sızdırmazlık elemanı plakalar arasında çok fazla deforme olur, kopmalar görülebilir. Sistemin basıncı da sızdırmazlık elemanına etki ettiğinde çok fazla sıkıĢmıĢ olan elemanda değiĢtirilemez Ģekil kaybına yol açabilir. Öyle ki basınç ortadan kalktığında yani geri dönüĢte sızdırmazlık elemanı gevĢeyemez ve oluĢturduğu fazla sürtünme kuvveti ve buna bağlı olan ısınma deformasyona sebep olur. Montaj bu durum dıĢında sızdırmazlık elemanının uygulamada farklılıklar göstermesine sebep olur. Bunun için farklı montaj durumları ile farklı ortam koĢulları ile sağlanabilir. Bahsedildiği gibi sızdırmazlığın doğru sağlanabilmesi için doğru bir montaj yapılmalıdır. AĢağıdaki Ģekilde piston baĢı sızdırmazlık elemanlarının montaj Ģekli gösterilmiĢtir. Bu montaj durumu gibi çeĢitli varyasyonlar kullanılarak piston baĢı sızdırmazlık elemanları değiĢik ortam Ģartlarında kullanılabilirler [19].
ġekil 2.21 : Piston baĢı sızdırmazlık elemanları montaj hali. 2.2.2.7 U-Ringler
V-Ringler ve piston baĢı keçeleri gibi U-Ringlerde dudaklı sızdırmazlık elemanı olarak tanımlanırlar. En genel kullanılan sızdırmazlık elemanları U-Ringlerdir. Bunun birkaç nedeni vardır. Bir O-Ringi ele aldığımızda istenilen sızdırmazlığı sağlamak için iyi bir kanal tasarlamak gerekir. Bu iyi denilen kanal dar toleranslarda iĢlenmeli ve O-Ringe gereken sıkıĢıklığı sağlayacak Ģekilde olmalıdır. Ayrıca daha önce bahsedildiği gibi öteleme hareketi için O-Ringlerin dezavantajları vardır. U-Ringler ise yapılarından dolayı O-U-Ringlerin göstermiĢ oldukları tepkileri göstermezler, daha iyi sızdırmazlık sağlarlar. Geometrilerinden dolayı gereken sıkıĢtırmayı kanal tasarımının çok hassas olmadığı durumlarda bile sağlarlar. Ayrıca yine geometrilerinin verdiği özellikle basınç artıkça sızdırmazlık özelliklerinin de paralel olarak arttığı görülmüĢtür.
Sızdırmazlık U-Ringlerde daha önce statik sızdırmazlık altında incelediğim gibi statik olarak da sağlanmaktadır. Ancak dinamik durum söz konusu olunca bazı farklılıklar ortaya çıkmaktadır. U-Ring monte edildiğinde kendi görünümünü kaybeder ve yüzey ile tamamen temas kurar. Aslında normalde bir çizgi Ģeklinde sızdırmazlık sağlamak için tasarlanmıĢtır. Ġleride daha çok üstünde durulacak olsa da kısacası dinamik durumda amaç tek bir noktada basıncı maksimum yapmaktır. U-Ringin Ģekil değiĢtirmiĢ bu yapısı bunu çok iyi yerine getirir. Hatta iç taraftan uygulanacak basınç ile bu gerekli olan basınca pozitif etki yapar. Böylece
Günümüzde üretilmekte olan üç tipte U-Ring vardır. ġekilde bunlar gösterilmiĢtir. Bunlardan biri genel profil olarak adlandırılan geometridir. Bu U-Ring kendi kendine yardım prensibiyle çalıĢan ve en çok kullanılan tiptir. Ġç basınç ile dudaklar piston yüzeyine daha büyük baskılar yapmaya baĢlar. Bu basınç sızdırmazlığı sağlamaktadır. Bu nedenle basınç arttıkça iyileĢen sızdırmazlık performansları vardır. Diğer bir geometri ise kompakt U-Ring olarak adlandırılan içi dolu olan tipteki U-Ringlerdir. Bu U-Ringleri dudak kısımları kısadır. Ġç basınç ile çok fazla yüzeye baskı oluĢturmazlar. SıkıĢtırılarak kullanıldıklarından sızdırmazlık yüzeyinde oluĢturdukları basınç düĢük basınçlarda bir önceki çeĢide göre daha iyidir. Ancak artan basınç ile performansları azalır. Diğer geometri ise önyüklemeli U-Ringlerdir. Bunlar bir O-Ring ile baskıya tabi tutulmuĢ bir U-Ringtir. DüĢük basınçlarda kendi kendine yardım prensibi gerçekleĢemediği için avantajlıdırlar. Özellikle poliüretanın düĢük sıcaklıklardaki elastisite kaybını tolere etmek için kullanılırlar [15].
ġekil 2.22 : DeğiĢik O-Ring geometrileri.
Son yıllarda ise U-Ring geometrilerine ikinci bir dudak eklenmesinin faydalı olacağı düĢünülerek çift dudaklı geometriler üretilmiĢtir. Deneylerde de incelenen bu geometrilerin alttan ve üstten dudaklı olmak üzere iki farklı tipi mevcuttur. Çift dudaklı U-Ringler olarak adlandırılırlar.
