X-образные кольца (Quad-ring): когда лучше обычного кольца

Четыре лепестка дают две линии контакта на каждую поверхность

Сечение X-образного кольца похоже на квадрат со вдавленными сторонами. Четыре выступа смотрят в углы, между ними остаются неглубокие впадины. После установки в канавку кольцо прижато к валу или цилиндру двумя лепестками, к дну канавки двумя другими. Каждая поверхность получает по две узкие полосы контакта вместо одной широкой, как у круглого кольца.

Отсюда три свойства, из-за которых X-ring вообще ставят. Узкая полоса контакта даёт меньшую силу трения при той же герметичности. Почти квадратное сечение не катится в канавке, поэтому кольцо не закручивается винтом при ходе штока. Во впадинах между лепестками остаётся смазка, и кромки дольше не работают всухую.

Названий у такого кольца несколько: X-ring, Quad-ring, четырёхлепестковое или четырёхгранное кольцо. Quad-Ring® зарегистрирован как торговая марка, такие кольца выпускают Minnesota Rubber and Plastics и Quadion LLC; товарный знак принадлежит правообладателю. В заявке достаточно написать «X-образное кольцо» и размер.

Выгода появляется только в движении

Круглое кольцо в подвижном узле работает на грани: при длинном ходе и слабой смазке часть сечения прилипает к поверхности, часть катится, и кольцо скручивается. По спирали появляются трещины, затем кольцо рвётся. Так развивается скручивание уплотнительного кольца, и именно его X-образный профиль устраняет.

В неподвижном соединении кольцо не двигается и не катится. Скручиваться нечему, трение значения не имеет, и вторая линия контакта почти ничего не добавляет к герметичности крышки или фланца. Там X-образное кольцо работает не хуже круглого, но стоит дороже и встречается реже.

Предел 500 psi, около 3,4 МПа, указывает поставщик Marco Rubber для X-образных колец без дополнительных мер. Выше этого давления к кольцу добавляют защитное кольцо из фторопласта, как и к круглому.

Глубина канавки под X-ring меньше съедает лепестки

Производители X-образных колец задают канавку под свой профиль, и сжатие в ней меньше, чем принято для круглых колец. В таблице ниже глубина канавки по руководству Minnesota Rubber для колец твёрдостью 70 Shore A, а процент сжатия пересчитан по номинальному сечению: (сечение − глубина) / сечение.

На диаграмме для каждого сечения показан диапазон сжатия: нижняя граница относится к подвижной канавке, верхняя к неподвижной. У сечений от 2,62 мм подвижный узел укладывается в 7–9 %, у самого тонкого 1,78 мм сжатие выше, около 13 %.

Пример: поршень с канавкой глубиной 2,85 мм под круглое кольцо сечением 3,53 мм. Круглое кольцо сжато на (3,53 − 2,85) / 3,53 ≈ 19 %. X-образное кольцо того же сечения в этой канавке будет сжато так же, на 19 %, то есть в 2,4 раза сильнее, чем рекомендуют для его профиля в движении. Кольцо встанет и будет держать, но трение вырастет, а лепестки быстрее сотрутся.

Канавку круглого кольца проверяют до замены

Поставщики пишут, что X-образные кольца взаимозаменяемы с круглыми по размерам и канавкам, и в большинстве случаев кольцо действительно встаёт. Совпадают внутренний диаметр и сечение, поэтому монтаж не меняется. Вопрос в том, ради чего меняли: если узел скручивал круглое кольцо, X-ring в той же канавке обычно эту проблему снимает, а снижение трения получится меньше расчётного.

Проверка занимает несколько минут. Мерят глубину канавки (для поршня это разность диаметра цилиндра и диаметра дна канавки пополам), ширину канавки и сечение старого кольца. Сжатие считают по формуле из таблицы выше. Общие правила расчёта те же, что для канавки под уплотнительное кольцо, но под X-ring цифры глубины берут свои.

Ширину канавки тоже сверяют. Руководство Minnesota Rubber советует держать заполнение канавки не выше примерно 90 % и растяжение кольца при посадке не больше 3 %. Узкая канавка под круглое кольцо с X-образным профилем может оказаться переполнена при нагреве и набухании резины в масле.

Когда X-образное кольцо лучше обычного круглого?

X-образное кольцо лучше обычного круглого в подвижных узлах с возвратно-поступательным ходом, качанием и медленным поворотом: в пневмоцилиндрах, на штоках клапанов, в поворотных соединениях. Там круглое кольцо скручивается и рвётся по спирали, а X-образное держит положение в канавке. В неподвижных крышках и фланцах выигрыша нет, круглое кольцо дешевле.

Какое сжатие нужно X-образному кольцу?

X-образному кольцу сечением 3,53 мм в подвижном узле по руководству Minnesota Rubber нужна канавка глубиной 3,25 мм, что даёт сжатие около 8 %. В неподвижной канавке глубина 3,10 мм и сжатие около 12 %. В канавке круглого кольца подвижного узла сжатие часто около 19 %, и X-ring там пережат.

Замену не обещают без пробного хода

Табличные преимущества X-образного кольца получены на стендах производителей, с их резиной, смазкой и чистотой поверхности. В конкретном цилиндре на результат влияют шероховатость гильзы, зазор, влажность воздуха и частота циклов. Поэтому срок службы и снижение трения после замены не называют заранее, пока узел не отработал на новом кольце.

Разумный порядок такой: на один узел ставят X-образное кольцо, записывают число циклов или часов до замены прежнего кольца, а затем сравнивают с новым. Если прежнее кольцо рвалось по спирали, разница видна быстро. Если оно изнашивалось равномерно, причина могла быть в абразиве или смазке, и смена профиля мало что изменит.

Для узлов на газе, в тормозной гидравлике и медицинской технике кольцо принимаем в работу только после отдельной технической оценки. Если характеристики подтвердить нельзя, от заказа отказываемся.

Материал выбирают по среде, профиль по движению

Профиль кольца отвечает за трение и скручивание, а стойкость к среде задаёт резина. Серийные X-образные кольца выпускают в основном из NBR и FKM, реже из EPDM и силикона. Ниже ориентир для марок общего назначения; материал фиксируется в КП.

EPDM в минеральном масле разбухает, а NBR быстро стареет в горячей воде. Неверный материал испортит кольцо любого профиля, и X-образная форма тут не спасёт.

Кольцо прямоугольного сечения решает другую задачу

Кольцо прямоугольного сечения тоже не скручивается, и его иногда ставят вместо X-ring из-за доступности. Но контакт у него по всей ширине грани, трение выше, и для подвижного узла оно подходит хуже. Его место в неподвижных соединениях с большим зазором и в торцевых уплотнениях крышек, где кольцо прямоугольного сечения можно нарезать из трубы или листа без пресс-формы.

Для пневматики выбор часто стоит между X-образным кольцом и манжетой. Манжета держит давление с одной стороны и даёт ещё меньшее трение, X-образное кольцо уплотняет в обе стороны и занимает канавку круглого кольца без переделки поршня.

Нестандартное X-образное кольцо делают точением или формованием

Серийный ряд X-образных колец уже, чем у круглых, и под дюймовую или нестандартную канавку готового кольца может не найтись. Единичные кольца и ремонтные партии вытачивают из резиновой или полиуретановой заготовки на станке, серию формуют, для неё нужна пресс-форма.

Для расчёта присылают размеры канавки (диаметр дна, ширину, глубину) или старое кольцо, ход или угол поворота, давление, среду и температуру. Если узел подвижный, полезно указать скорость и частоту циклов. По этим данным подбирают профиль и материал или делают уплотнительное кольцо нестандартного размера, а для сложных профилей есть раздел нестандартных уплотнений.