密封圈的設(shè)計計算

1、【論文摘要】 O 形密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延長密封圈無泄漏密封壽命的必要保證。據(jù)此提出一種選配兩者尺寸的理論計算方法，并以 Y341 148 注水封隔器所選密封圈的計算為例說明， 根據(jù)不同的密封圈可以計算出相應(yīng)的密封圈槽尺寸。 為保證密封圈長期有效地工作， 還必須合理選擇其壓縮率、 拉伸量和孔、 軸配合精度等相關(guān)參數(shù)。 選取壓縮率時，應(yīng)考慮有足夠的密封面接觸壓力、 盡量小的摩擦力和避免密封圈的永久性變形。 顧及到一般試制車間的加工水平和井下工具主要是靜密封的狀況， 建議密封面的軸、 孔配合應(yīng)優(yōu)先選用H8/e8。Selection of O-ring and calculation o

2、f O-ring groove sizeChen Aiping,Zhou Zhongya(Research Institute of Oil Production Technology,Jianghan Petroleum Administration,Qianjiand City,Hubei Province)Rational matching of O-rings and O-ringgrooves is of great importance to prolonging the service life of O-rings.A method for selecting O-ring w

3、as presented.The sizes of the O-ring gtoove can be calculated according to various O-rings.To ensure long-term and effective work of the ring,the compressibility,tensile dimension and bore-shaft matching accuracy should be properly selected.Subject Concept Terms:O-ring O-ring groove matching service

4、 life用 O 形密封圈(以下簡稱密封圈)密封是最常用的一種密封方式， 然而至關(guān)重要的是如何正確地選擇密封圈和設(shè)計密封圈槽尺寸。 常規(guī)的方法是將密封圈套在寶塔上用游標(biāo)卡尺測量外徑，再確定其相應(yīng)尺寸。這種方法的弊端是： (1) 密封圈是彈性體，外徑測量不準(zhǔn)確； (2) 在設(shè)計新工具時，往往沒有現(xiàn)成的密封圈，難以確定尺寸，其過盈量往往掌握不準(zhǔn)。過盈量太大時密封圈易被剪切損壞， 太小時又容易失封。 針對這種狀況， 筆者提出一種選配密封圈的理論計算方法(指外密封圈) ，以供參考、討論。密封圈的密封機(jī)理 1密封圈密封屬于擠壓彈性體密封， 是靠密封環(huán)預(yù)先被擠壓由彈性變形產(chǎn)生預(yù)緊力， 同時工作介質(zhì)壓力也擠

5、壓密封環(huán)， 使之產(chǎn)生自緊力。 也就是說， 擠壓彈性體密封屬于自緊式密封。密封圈在介質(zhì)壓力 p1 作用下，其受力狀況如圖 1 所示，產(chǎn)生的接觸壓力為pc=pco+A pc式中 pc介質(zhì)壓力下的總接觸壓力，MPa;pco密封圈初始壓力，稱之為預(yù)接觸壓力，MPa;A pc介質(zhì)壓力經(jīng)密封圈傳遞給接觸面的接觸壓力，稱為介質(zhì)作用接觸壓力，A pc=xp1,MPa,其中k為側(cè)壓系數(shù)，k=u/(1-u),對于橡膠密封件 k0.90.985; u為密封圈 材料的泊松比，對于橡膠密封件，u =0.480.496。圖1密封圈接觸壓力分布要保持密封，必須保證 pc>p1,而A pc永遠(yuǎn)小于pl,故應(yīng)保持足夠的預(yù)

6、接觸壓力pco,即密封圈要有足夠的預(yù)壓縮率，才能保證密封。但如果預(yù)壓縮率太大，又會影響密封圈的工作壽命，因此密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延長密封圈無泄漏密封壽命的必要保證。密封圈及密封圈槽的選配方法內(nèi)密封圈的選配比較簡單，不再贅述，這里只介紹一種外密封圈的選配方法。假定孔、軸直徑分別為 D、d,所選密封圈為D0Xd0,問題是如何確定密封圈槽的底徑D1 ,如圖2所示。圖2密封圈及密封圈槽尺寸密封圈被套在密封圈槽上之后，一般都有一定的拉伸量，其斷面直徑 變?yōu)閐i,根據(jù)體積不變原理，則密封圈安裝前后的體積相等，即d0變小了，假定打54 A""7 門心 d *r“I(2)式中

7、D0密封圈外徑， mm；d0密封圈斷面直徑，mm;D孔直徑，mm;8密封圈過盈量，mm；di拉伸后的密封圈斷面直徑，mm。式（2）中，8值可本據(jù)D值從表1中選取，D0、d0為已知值，則可計算出di。為了簡化計算，用D+ 8 -d0代替D+ 8 -di計算，則式（2）可簡化為簡化后計算出的di值有一定的誤差，將 di再回歸到式（3）中計算，求出d2,即d1 ，( IM 扁)/+ C 山)(4)式中 d2 拉伸后的密封圈斷面直徑，mm。如此類推，可計算出 d3、d4，一般來說，d2值就已達(dá)到要求，則密封圈槽底徑D1為D1=D+6-2d2(5)現(xiàn)舉例說明以上計算，如Y341 148注水封隔器活塞孔、

8、136H9/d9(136 +0.10mm)135mm x 5mm,過盈量8選為1.3mm,則變形后的密封圈斷面直徑為/(Do -心=4 i) + 6-由=4.955mm取 d2=4.96mm ,貝UD1=D+S -2d2=127.38mm結(jié)合孔徑小136+0.1D1為。小127+0.5135mm x 5mm132mm x 5mm的密封圈，則密封圈槽底徑可用同樣方法算得，即配上公差后D1為小127+0.4由以上計算可知，根據(jù)不同的密封圈， 可以計算出不同的密封圈槽尺寸，可見這種方法比較簡單、靈活。但是為保證密封長期有效地工作，還必須合理選擇其壓縮率、拉伸量和孔 軸配合精度等相關(guān)參數(shù)。相關(guān)參數(shù)的確

9、定與應(yīng)用1 .壓縮率£或過盈量6密封圈是典型的擠壓型密封。如圖3所示，其壓縮率£通常由下式表示式中 h0密封圈槽底至被密封面的距離,mm。圖3密封圈壓縮率對于圓柱面靜密封和往復(fù)動密封，£=10%15%;對于平面靜密封，£=15%30%;旋轉(zhuǎn)動密封£ =3%8%;低摩擦密封 £ =5%8%。選取密封圈壓縮率時主要應(yīng)考慮的因素，一是要有足夠的密封面接觸壓力；二是摩擦力應(yīng)盡量小；三是應(yīng)盡量避免永久性變形。與壓縮率e相對應(yīng)的是過盈量 8 ,過盈量8表示密封圈的預(yù)壓縮情況， 其推薦值見表1。表1基本尺寸與過盈量關(guān)系推薦值mm孔直徑D尺寸范圍過盈

10、量8動密封靜密封<300.250.330.3 0.430 500.350.500.4 0.650 800.500.700.6 0.880 1200.70 1.000.8 1.2>1201.00 1.401.2 1.6注：井下工具用密封圈多為靜密封，8值應(yīng)從靜密封欄中選取。2 .拉伸量密封圈裝入密封圈槽后，一般都會有一定的拉伸量。但據(jù)所查閱的資料可知，尚未對拉伸量有明確的定義。根據(jù)筆者的理解，拉伸量應(yīng)是拉伸后的密封圈中徑與自然狀態(tài)時的中徑 之比，即a=(D1+d2)/(D0-d0)(6)式中 a密封圈的拉伸量，mm。a的通常推薦值為1.011.05。筆者一般取值為1.05,特殊情況下

11、，甚至取為1.1。為了保證密封圈裝入密封圈槽后不至太松，a值取得稍大。3 .密封圈槽的寬度與形狀一般推薦的密封圈槽尺寸見表2,其形狀如圖4所示。槽寬大致為密封圈斷面直徑的1.3倍，而平時設(shè)計中往往是密封圈槽寬度與密封圈斷面直徑相等，或者不論密封圈斷面直徑多大，密封圈比槽寬 0.5mm。采用這種尺寸設(shè)計的弊端是：（1）用起子或鐵釬撬密封圈時，容易損壞密封圈槽，尤其是內(nèi)密封圈槽，這將降低其耐壓差能力；（2）孔、軸相套時，由于密封圈有預(yù)過盈量，槽太窄易剪切密封圈。因此，今后在設(shè)計密封圈槽寬時應(yīng)規(guī)范尺寸。在加工r為0.10.2和R為0.20.5的圓弧時，要特別注意 r處，如果太尖，在承受高壓時易損 壞

12、密封圈，需用砂布將其稍稍打鈍。表2密封圈槽的尺寸1 mm密封圈斷向直徑 d0槽寬BRr1.92.50.20.12.43.20.20.13.14.00.30.13.54.50.30.14.66.10.40.25.77.50.40.28.611.00.50.2B圖4密封圈槽的標(biāo)準(zhǔn)形狀4 .軸孔配合公差在承受大于16MPa以上壓差時，孔、軸配合一般推薦為H8/f8或H8/f7 ,在承受高壓情況下，還要安裝密封擋環(huán)1。而井下工具工作壓力一般超過16MPa,所用孔、軸配合常常采用H9/d9、H10/d10、H10/C10,甚至H11/c11, 一方面精度等級較低，另一方面軸、孔 間隙太大。這就要求密封圈

13、的過盈量也要大。如 Y241-150酸化壓裂封隔器的軸、孔配合 采用H8/e8, Y341 -148堵水封隔器采用 H9/d9 ,軸、孔基本尺寸相同的酸化壓裂封隔器密 封圈的過盈量比堵水封隔器的小，密封效果就好。相同精度等級軸、孔的配合間隙不同，其受力狀況是有區(qū)別的，如 H10/C10的軸、孔間 隙比H10/d10大，密封圈在相同壓力p1作用下，其受剪切力的面積大，則總作用力就大，密封圈損壞的可能性加大，但如果軸、孔間隙過小，則軸、孔的同軸度要求更高，加工難度 增大。如果片面追求高精度，勢必增加加工難度和成本?？紤]到試制車間的加工水平及井下工具的實際工作狀況（主要是靜密封），筆者建議密封圈密封面的軸、孔配合