Gow-Joule-effekten: varför en sträckt O-ring dödar sig själv på en roterande axel En gummiremsa som hängs fritt, belastas och sträcks och därefter värms drar ihop sig och lyfter lasten, medan en obelastad remsa i stället expanderar enligt sin värmeutvidgningskoefficient. Sammandragningen inträffar alltså ENBART när ett sträckt gummiföremål värms. Parkers O-Ring Handbook ORD 5700 (2003) beskriver detta i avsnitt 2.4.17 under namnet "Joule effect" (s. 2-21) och i rotaryavsnittet 5.27 under namnet "Gow-Joule effect" (s. 5-20). Det är samma fenomen under två namn i samma handbok. Notera också att stavningen "Gow-Joule" är Parkers egen: i polymerfysikens litteratur skrivs fenomenet vanligen "Gough-Joule" efter John Gough och James Joule. 5-19) och i 5.27 Rotary Seal (s. 5-20). Söker du i extern litteratur måste du alltså söka på båda stavningarna.

Mekanismen i en roterande tätning, så som ORD 5700 avsnitt 5.27 beskriver den (s. 5-20): friktionen mellan O-ringen och den roterande axeln alstrar värme. Är ringen monterad med mer än ett minimum av dragspänning drar den ihop sig när den värms och griper hårdare om axeln. Hårdare grepp ger mer friktion, mer friktion ger mer värme, mer värme ger mer sammandragning. Handboken kallar förloppet uttryckligen självförstärkande ("self-perpetuating") och skriver att det fortsätter tills O-ringen är förstörd. Handbokens formulering är att fenomenet inträffar endast om gummit står under dragspänning ("occurs only if the rubber is under tensile stress"), och den generaliserar till "most elastomers" utan att namnge vilka polymerfamiljer som är mest utsatta.

5-20): "Whenever it can be avoided, an O-ring should not be installed in a gland that holds it in more than a minimum of tensional stress. This principle is especially important to consider when designing for an O-ring rotary shaft seal." Dimensionera alltså BORT sträckningen i roterande montage, till skillnad från många statiska fall där viss sträckning är ofarlig eller önskvärd. Det finns dessutom ett andra, av värmen oberoende skäl att undvika sträckning: "Even at low surface speeds, where heating is not a problem, a stretched O-ring tends to rotate with the shaft and leak" (s. 5-20). En sträckt ring läcker alltså även när den inte hinner bli varm.

Ythastighet: formeln och gränsvärdena 200, 400, 600 och 1500 fot per minut Rotarykonstruktion i ORD 5700 styrs helt av ythastigheten vid axeln, inte av varvtalet. Handboken ger formeln i fotnoten till Table 5-5 (s. 5-20) och som fotnot (a) till Design Chart 5-4 (s. 5-44), båda gångerna ordagrant: "Feet per minute = 0.26 X Shaft Diameter (inches) X rpm." Konstanten 0,26 är i praktiken π/12 = 0,2618, alltså omkretsen i tum omräknad till fot per varv; den härledningen står dock inte i handboken utan är vår egen kontrollräkning. I metriska termer blir samma sak v (m/s) = π × D (mm) × n (varv/min) / 60 000.

Fyra hastighetströsklar styr valen. Under 200 fot per minut (1,02 m/s) är tvärsnittsvalet enligt handboken "usually not critical" och den enklare Design Chart 5-2 får användas; men även då gäller att axeldiametern inte får överstiga O-ringens fria innerdiameter i avslappnat tillstånd (ORD 5700 s. 5-20). Här finns en olöst motsägelse i handboken själv som du måste känna till innan du sätter måttet: avsnitt 2.4.17 (s. 2-21) tillämpar Joule-effekten på exakt detta fall och rekommenderar tvärtom en innerdiameter 1 till 3 procent STÖRRE än axeln, medan rotaryavsnittets räkneexempel i Table 5-6 lägger axeln 0,002 tum (0,05 mm) större än ringens ID, alltså monterad i lätt sträckning. Samma handbok ger alltså tre olika svar (ID ≥ axel, ID 1–3 % större än axel, ID 0,74 % mindre än axel) och löser det inte. Se avsnittet om räkneexemplet nedan.

Vid 400 fot per minut (2,03 m/s) faller det grövsta tillåtna tvärsnittet 0,139 tum bort. Vid 600 fot per minut (3,05 m/s) skriver handboken rakt ut: "It is recommended that a 'W' dimension of 0.103 be considered maximum for all speeds over 600 feet per minute" (s. 5-20), alltså högst 0,103 tum (2,62 mm) tvärsnitt över den hastigheten. Vid 1500 fot per minut (7,62 m/s) tar konceptet slut: handbokens inledningskapitel listar "Rotary speeds exceeding 1500 feet per minute contact speed" som ett av de fall där O-ringen INTE rekommenderas som tätningslösning. Samma tal återkommer som materialgräns i s. 5-19, där Parkers rotarycompound N1090-85 uppges ge "satisfactory service" upp till 1500 fot per minut. Handboken gör ingen uttrycklig koppling mellan de två ställena, de står i olika kapitel utan korsreferens, men talen sammanfaller. Om N1090-85 noterar handboken också att materialet innehåller grafit och därför inte bör användas mot rostfritt stål, eftersom grafiten kan orsaka punktfrätning. Uppgiften om 1500 fot per minut är från 2003 års utgåva; vi har inte kontrollerat Parkers nuvarande materialsortiment och kan därför inte säga om gränsen står kvar för dagens compounds.

Tvärsnittsvalet: fint tvärsnitt, inte grovt (Table 5-5) Föreställningen att en roterande tätning ska ha ett grovt tvärsnitt är fel, och ORD 5700 säger raka motsatsen (s. 5-20): "Experience has proven that it is desirable to use the O-ring with the smallest 'W', or cross-section diameter, available for the ID required." Regeln är alltså finast möjliga tvärsnitt för den innerdiameter konstruktionen kräver. Formuleringen "Experience has proven" är uttryckligen erfarenhetsbaserad, och en genomsökning av handbokens fulltext efter någon koppling mellan tvärsnitt och friktionsvärme ger ingen träff. Att ett tunnare tvärsnitt skulle begränsa den självförstärkande Gow-Joule-spiralen genom mindre värmealstrande gummivolym är en rimlig hypotes, men den är vår och inte handbokens, och den ska inte återges som Parkers motivering. Vad handboken däremot säger är att designvillkoren är mest kritiska för just roterande tätningar ("The design conditions are most critical for rotary seals") och att de kräver "Relatively high durometer compounds, close control of tolerances, and minimum cross section" (s. 5-19). Finhet i tvärsnittet står alltså tillsammans med hög hårdhet och snäva toleranser som ett paket.

Table 5-5 ur ORD 5700 s. Tabellen läses INTE som fyra uteslutande band: de tre nedre raderna har alla 200 som undre gräns, och varje rad anger den maximala tvärsnittsgrovleken för ett band som sträcker sig upp till sin övre gräns. Välj alltså tvärsnitt efter den HÖGSTA ythastighet tätningen faktiskt kan nå, inte efter ett driftsintervall.

| Ythastighet (fpm) | Ythastighet (m/s) | Största rekommenderade "W" (tum) | Största rekommenderade "W" (mm) | |---|---|---|---| | 0 till 200 | 0 till 1,02 | Usually not critical (använd Design Chart 5-2) |, | | 200 till 400 | 1,02 till 2,03 | 0.139 | 3,53 | | 200 till 600 | 1,02 till 3,05 | 0.103 | 2,62 | | 200 till 1500 | 1,02 till 7,62 | 0.070 | 1,78 |

Feet per minute = 0.26 × Shaft Diameter (inches) × rpm.

Design Chart 5-4: spårmått för roterande O-ringstätningar, max 55,2 bar (800 PSI) Följande är Parkers egna spårmått ur ORD 5700 s. 5-44, inte ISO 3601-2:s eller AS568B:s mått, och de gäller O-ringar, inte formpackningar eller radialtätningar. Måtten gäller endast upp till 55,2 bar (800 PSI) och endast ned till 200 fot per minut; under den hastigheten hänvisar handboken till Design Chart 5-2. Kolumnerna har kontrollerats cell för cell mot två oberoende extraktioner av sidan.

| Parker No. 2- | W nominell (tum) | W verklig (tum) | Max hastighet (fpm) | Max hastighet (m/s) | Squeeze (%) | L spårdjup (tum / mm) | G spårbredd (tum / mm) | E diametralt spel (tum / mm) | Excentricitet max (tum / mm) | M lagerlängd min (tum / mm) | R spårradie (tum / mm) | |---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---| | 004–045 | 1/16 | 0.070 ± .003 | 200–1500 | 1,02–7,62 | 0–11 | 0.065–0.067 / 1,65–1,70 | 0.075–0.079 / 1,91–2,01 | 0.012–0.016 / 0,30–0,41 | 0.002 / 0,05 | 0.700 / 17,78 | 0.005–0.015 / 0,13–0,38 | | 102–163 | 3/32 | 0.103 ± .003 | 200–600 | 1,02–3,05 | 1–8 1/2 | 0.097–0.099 / 2,46–2,51 | 0.108–0.112 / 2,74–2,84 | 0.012–0.016 / 0,30–0,41 | 0.002 / 0,05 | 1.030 / 26,16 | 0.005–0.015 / 0,13–0,38 | | 201–258 | 1/8 | 0.139 ± .004 | 200–400 | 1,02–2,03 | 0–7 | 0.133–0.135 / 3,38–3,43 | 0.144–0.148 / 3,66–3,76 | 0.016–0.020 / 0,41–0,51 | 0.003 / 0,08 | 1.390 / 35,31 | 0.010–0.025 / 0,25–0,64 |

Fotnoterna hör till talen och får inte läsas separat. (a) Feet per minute = 0.26 × Shaft Diameter (inches) × rpm. (b) Excentriciteten anges som total indicator reading mellan spårets ytterdiameter, axeln och den intilliggande lagerförsedda ytan. (c) Måste spelet minskas för högre tryck får lagerlängden M inte understiga de angivna minimivärdena; de angivna spelen förutsätter en O-ring med minst 80 Shore A för maximalt 55,2 bar (800 PSI), och för tryck över 55,2 bar hänvisar handboken till Figure 3-2. Den hänvisningen leder in i en känd intern motsägelse i ORD 5700: fotnoten till Figure 3-2 anger 60 procents spelreduktion för silikon och fluorsilikon, medan not (c) till Design Chart 4-1 anger 50 procent för samma sak. Konstruerar du en roterande tätning över 800 PSI i silikon eller fluorsilikon måste du alltså välja mellan två motstridiga tal i samma handbok, och den säkrare av dem är 60 procents reduktion. Handboken löser inte konflikten. Bildtexten till Design Chart 5-4 upprepar dessutom en regel som är lätt att missa: "Note: Due to effect of centrifugal force, do not locate groove in shaft."

Tabellen bekräftar samma tvärsnitt/hastighetsrelation som Table 5-5: 0.070 tum klarar hela spannet 200–1500 fpm, 0.103 tum är begränsat till 200–600 fpm och 0.139 tum till 200–400 fpm. Lägg också märke till att minimilagerlängden M i praktiken följer ungefär 10 gånger W-måttet i alla tre raderna, vilket stämmer med handbokens egen alternativregel för lagervärme.

Räkneexempel enligt Table 5-6, och handbokens motsägelse om axeldiameter mot fri innerdiameter Handbokens eget räkneexempel (ORD 5700 s. 5-21) dimensionerar en roterande tätning för en önskad axel på 76,2 mm (3 tum) vid 1750 varv/min och 6,9 bar (100 PSI) oljetryck. Läs steg (D) med öppna ögon: där lägger handboken 0,002 tum (0,05 mm) TILL O-ringens innerdiameter för att få största tillåtna axeldiameter, vilket ger en ring vars fria ID är 0,74 procent MINDRE än axeln, alltså monterad i sträckning. Handbokens eget teoriavsnitt 2.4.17 (s. 2-21) rekommenderar för samma konstruktionsfall, en O-ring som radiell axeltätning, tvärtom en innerdiameter 1 till 3 procent STÖRRE än axeln, med motiveringen att en ring monterad under dragspänning värms av friktionen, drar ihop sig och havererar med en hård och spröd yta. Rotaryavsnittet självt säger dessutom på s. 5-20 att axeln inte får vara större än ringens fria ID. Skillnaden mellan handbokens rekommendationer är alltså 2 till 4 procentenheter, och i den riktning som handbokens egen felmodsbeskrivning pekar ut som dödlig. Praktisk hållning tills en expert avgjort saken: följ 2.4.17 och rotaryavsnittets tecken (ID lika med eller större än axeln) framför exemplets +0.002, särskilt vid höga ythastigheter, eftersom det är den riktning båda de resonerande avsnitten pekar åt.

| Steg | Procedur | Exempel | |---|---|---| | (A) | Calculate surface speed. | 0.26 × 3 × 1750 = 1365 fpm (6,93 m/s) | | (B) | Determine O-ring cross section from Table 5-5. | .070 (grövre tvärsnitt utesluts av hastigheten) | | (C) | Select .070 cross section O-ring with actual ID closest to desired shaft OD from Design Table 5-4. | Parker No. 2-041 | | (D) | Add 0.002 to O-ring ID to determine max. actual shaft OD, B. | B max. = 2.969 + 0.002 = 2.991 tum (75,41 + 0,05 = 75,97 mm), TOL +.000/-.001. Se motsägelsen ovan: 2.4.17 anger motsatt tecken och 1–3 % | | (E) | Determine gland depth, L from Design Chart 5-4. | 0.065 till 0.067 tum (1,65–1,70 mm) | | (F) | A-1 min = B max. + 2L min.; A-1 max = B min. + 2L max. | A-1 min. = 2.991 + 2(0.065) = 3.121; A-1 max. = 2.990 + (0.067) = 3.124; A-1 = 3.121 tum (79,27 mm), TOL +.003/-.000 | | (G) | Determine diametral clearance, E from Design Chart 5-4. | Tryckfelet "0.012 + 0.016" avser intervallet 0.012 till 0.016 tum (0,30–0,41 mm) enligt Design Chart 5-4 | | (H) | D min. = B max. + E min.; D max. = B min. + E max. | D min. = 2.991 + 0.012 = 3.003; D max. = 2.990 + 0.016 = 3.006 tum (76,28–76,35 mm); sammanfattningsraden lyder D = 3.003 (TOL +.003, -.000) | | (I) | Determine groove width, G from Design Chart 5-4. | 0.075 till 0.079 tum (1,91–2,01 mm) | | (J) | Check Figure 3-2 to make sure design is extrusion safe. |, |

Två tryckfel i handbokens exempelkolumn är värda att känna till innan du kopierar tabellen. I steg (F) är procedurtexten i vänsterspalten korrekt skriven ("A-1 max. = B min. + 2L max."), men exempelraden till höger utelämnar tvåan och skriver "2.990 + (0.067) = 3.124". Det tryckta svaret 3.124 går bara att räkna fram med 2 × 0.067; räknar man som exempelraden står skriven får man 3.057. Följ procedurkolumnen, den är rätt.

Övriga driftvillkor för roterande O-ringstätningar Temperaturfönstret gäller uttryckligen HÖGVARVIGA rotationstätningar: ORD 5700 s. 5-20 skriver att O-ringar som "high speed rotary shaft seals" vanligen inte rekommenderas under -40 °C (-40 °F) eller över 121 °C (250 °F). Handboken uttalar sig inte om roterande tätningar generellt vid dessa temperaturer, och under 200 fot per minut hänvisar den dessutom till en annan designregim (Design Chart 5-2), så sträck inte fönstret dit. Ett besläktat men separat besked står på s. 5-19: roterande tätningar bör normalt inte användas under -40 °C även om materialets flexibilitet uppges räcka ned till -54 °C (-65 °F), eftersom termisk krympning och förlorad elasticitet tenderar att bryta kontakten mot axeln.

Axeln är en del av tätningen. Axlar bör hållas koncentriska inom 0,013 mm (0,0005 tum) total indicator reading (ORD 5700 s. 5-19). Härdade stålaxlar kring 55 Rockwell är önskvärda men inte obligatoriska; mjuka metallaxlar bör undvikas, eftersom de slits fortare än gummit och därmed ökar spelet och orsakar läckage. Spåret ska inte ligga i axeln vid roterande tillämpningar ("not recommended if the shaft rotates"), eftersom centrifugalkraften får O-ringen att rotera och nöta mot alla ytor (s. 5-20). Lägg spåret i huset.

Lagervärme hanteras enligt s. 5-19 till 5-20 helst med 0,203 mm (0,008 tum) spel per sida mellan den roterande axeln och O-ringhuset. Alternativregeln, om det spelet inte går att åstadkomma, är att lagerlängden ska vara minst 10 gånger O-ringens W-mått. Minimivärdena för M i Design Chart 5-4 (0.700, 1.030 och 1.390 tum) följer just den regeln.

Vad ORD 5700 inte svarar på i rotaryfrågan Rotaryavsnittet i ORD 5700 (5.25 och 5.27) hänvisar inte till något ISO-nummer alls; hela dess konstruktionsapparat är Parkers egen. Handboken har visserligen ett eget standardavsnitt som listar ISO 3601/1, men den noterar där att ISO 3601/2 och /3 var "under preparation" när utgåvan skrevs. ORD 5700 från 2003 föregår alltså enligt sin egen text den ISO-del som reglerar spår och toleranser, och vi har inte kunnat kontrollera om någon nu gällande standard behandlar roterande O-ringstätningar som konstruktionsfall. Behandla därför alla spårmått ovan som Parkers rekommendationer och inte som standardmått, och kontrollera dem mot gällande ISO 3601-2 innan de förs in i en ritning.

Handboken kvantifierar heller inte hur Gow-Joule-känsligheten varierar mellan polymerfamiljer. Den skriver "most elastomers" och stannar där, utan att säga om exempelvis NBR, FKM eller silikon drabbas olika hårt.