O形圈密封與槽的設計

1、O形圈密封是典型的擠壓型密封。O形圈截面直徑的壓縮率和拉伸是密封設計的主要內(nèi)容，對密封性能和使用壽命有重要意義。O形圈一般安裝在密封溝槽內(nèi)起密封作用。O形密封圈良好的密封效果很大程度上取決于O形圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。密封裝置設計加工時，若使O形圈壓縮量過小，就會引起泄漏；壓縮量過大則會導致O形密封圈橡膠應力松弛而引起泄漏。同樣，O形圈工作中拉伸過度，也會加速老化而引起泄漏。世界各國的標準對此都有較嚴格的規(guī)定。1、O形圈密封的設計原則1）壓縮率壓縮率W通常用下式表示：W=（do-h）/do%式中doO形圈在自由狀態(tài)下的截面直徑（mm）hO形圈槽底與被密封表面

2、的距離，即O形圈壓縮后的截面高度（mm）。在選取O形圈的壓縮率時，應從如下三個方面考慮：a.要有足夠的密封接觸面積b.摩擦力盡量小c.盡量避免永久變形。從以上這些因素不難發(fā)現(xiàn)，它們相互之間存在著矛盾。壓縮率大就可獲得大的接觸壓力，但是過大的壓縮率無疑會增大滑動摩擦力和永久變形。而壓縮率過小則可能由于密封溝槽的同軸度誤差和O形圈誤差不符合要求，消失部分壓縮量而引起泄漏。因此，在選擇O形圈的壓縮率時，要權衡個方面的因素。一般靜密封壓縮率大于動密封，但其極值應小于30%（和橡膠材料有關），否則壓縮應力明顯松弛，將產(chǎn)生過大的永久變形，在高溫工況中尤為嚴重。O形圈密封壓縮率W的選擇應考慮使用條件，靜密封

3、或動密封；靜密封又可分為徑向密封與軸向密封；徑向密封（或稱圓柱靜密封）的泄漏間隙是徑向間隙，軸向密封（或稱平面靜密封）的泄漏間隙是軸向間隙。軸向密封根據(jù)壓力介質(zhì)作用于O形圈的內(nèi)徑還是外徑又分受內(nèi)壓和外壓兩種情況，內(nèi)壓增加的拉伸，外壓降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的靜密封，密封介質(zhì)對O形圈的作用力方向是不同的，所以預壓力設計也不同。對于動密封則要區(qū)分是往復運動還是旋轉運動密封。1 .靜密封：圓柱靜密封裝置和往復運動式密封裝置一樣，一般取W=10%15%;平面密封裝置取W=15%30%。2 .對于動密封而言，可以分為三種情況:a.往復運動密封一般取W=10%15%。b.旋轉運動密封在選取壓縮率

4、時必須要考慮焦耳熱效應，一般來說，旋轉運動用O形圈的內(nèi)徑要比軸徑大3%5%,外徑的壓縮率W=3%8%。c.低摩擦運動用O形圈，為了減小摩擦阻力，一般土選取較小的壓縮率，即W=5%8%。此外，還要考慮到介質(zhì)和溫度引起的橡膠材料膨脹。通常在給定的壓縮變形之外，允許的最大膨脹率為15%,超過這一范圍說明材料選用不合適，應改用其他材料的O形圈，或?qū)o定的壓縮變形率予以修正。壓縮變形的具體數(shù)值，一般情況下，各國都根據(jù)自己的使用經(jīng)驗制訂出標準或給出推薦值。2)拉伸量O形圈在裝入密封溝槽后，一般都有一定的拉伸量。與壓縮率不一樣，拉伸量的大小對O形圈的密封性能和使用壽命也有很大的影響。拉伸量大不但會導致O形圈

5、安裝困難，同時也會因截面直徑do發(fā)生變化而使壓縮率降低，以致引起泄漏。拉伸量”可用下式表示：a=(d+do)/(d1+do)式中d軸徑(mm);d1O形圈的內(nèi)徑(mm);doO形圈的截面直徑(mm)。3)接觸寬度O形圈裝入密封溝槽后，其橫截面產(chǎn)生壓縮變形。變形后的寬度及其與軸的接觸寬度都和O形圈的密封性能和使用壽命有關，其值過小會使密封性受到影響；過大則增加摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，影響O形圈的壽命。O形圈變形后的寬度BO(mm)與O形圈的壓縮率W和截面直徑dO有關，可用下式計算BO=1/(1-W)-0.6WdO(W取10%40%)O形圈與軸的接觸面寬度b(mm)也取決于W和dO:b=(4W2+0.3

6、4W+0.31)dO(W取10%40%)對摩擦力限制較高的O形圈密封，如氣動密封、液壓伺服控制元件密封，可據(jù)此估算摩擦力。2、O形圈的設計絕大多數(shù)的O形圈是用合成橡膠材料制成的。合成橡膠O形圈的尺寸由國際標準（ISO3601/1）國家標準和組織標準等確定。如有些國家將O形圈的尺寸系列分為P系列（運動用）、G系列（固定用）、V系列（真空用）和ISO系列（一般工業(yè)用）四個系列組成。我國的O形圈內(nèi)徑、截面直徑尺寸及公差由GB/T34542.11992規(guī)定。密封裝置的密封可靠性主要取決于O形圈的壓縮量。在一般的情況下，這種壓縮量都是很小的，只有十幾微米到幾十微米，這就要求O形圈的尺寸公差具有很高的精度

7、。因此，O形圈需要采用高精度的模具進行加工，同時必須準確地掌握作為設計依據(jù)的O形圈材質(zhì)的收縮率。一般只能通過實測，來獲得O形圈的收縮率。值得注意的是：8mm的情況下，才予以1）O形圈截面收縮率很小，一般不予考慮。只有在其截面直徑大于考慮。2）在配方和工藝條件一定的情況下，O形圈的收縮率會隨著材質(zhì)硬度的提高而減小，也會隨著其內(nèi)徑的減小而提高。具有中等硬度（HS75±5）,以及中等大?。▋?nèi)徑d=4070mm）的O形圈，其內(nèi)徑的收縮率大約為1.5%。一般，在靜密封場合，可選擇截面較小的密封圈；在動密封場合，應選擇截面較大的密封圈。通常，壓力較高和間隙較大時，應選擇較高硬度的材料；也可以選擇

8、一般硬度的材料，再安裝一個聚四氟乙烯擋圈。3、O形密封圈密封溝槽設計O形密封圈的壓縮量與拉伸量是由密封溝槽的尺寸來保證的，O形密封圈選定后，其壓縮量、拉伸量及其工作狀態(tài)由溝槽決定，所以，溝槽設計與選擇對密封裝置的密封性和使用壽命的影響很大，溝槽設計是O形圈密封設計的主要內(nèi)容。密封溝槽設計包括確定溝槽的形狀、尺寸、精度和表面粗糙等，對動密封，還有確定相對運動間隙。溝槽設計原則是：加工容易，尺寸合理，精度容易保證，O形圈裝拆較為方便。常見的槽形為矩形槽。1）溝槽形狀矩形溝槽是液壓氣動用O形密封圈使用最多的溝槽形狀。這種溝槽的優(yōu)點是加工容易，便于保證O形密封圈具有必要的壓縮量。除矩形溝槽外，還有V形

9、、半圓形、燕尾形和三角形等型式的溝槽。三角形溝槽截面形狀是以M為直角邊的等邊直角三角形。截面積大約為O形圈截面面積的1.051.10倍。三角形溝槽式密封裝置在英國、美國、日本等國家均有應用。設計的原則是O形密封圈內(nèi)徑的公稱尺寸相等。密封溝槽即可開在軸上，也可開在孔上；軸向密封則溝槽開在平面上。2）槽寬的設計密封溝槽的尺寸參數(shù)取決于O形密封圈的尺寸參數(shù)。溝槽尺寸可按體積計算，通常要求矩形溝槽的尺寸比O形圈的體積大15%左右。這是因為：a.O形圈裝入溝槽后，承受3%30%的壓縮，而橡膠材料本身是不可壓縮的，所以應有容納O形圈變形部分的空間。b.處于油液中的O形圈，除了存在由于油液的浸泡而可能引起的

10、橡膠材料的膨脹外，還有可能存在隨著液體工作溫度的增高，而引起橡膠材料的膨脹現(xiàn)象。所以溝槽必須留有一定的余量。c.在運動狀態(tài)下，能適應O形圈可能產(chǎn)生的輕微的滾動現(xiàn)象。一般認為，裝配后的O形密封圈與槽壁之間留有適當?shù)拈g隙是必要的。但是這個間隙不能過大，否則在交變壓力的作用下就會變成有害的“游隙”，而增加O形圈的磨損。槽不宜太窄，如果O形圈截面填滿了槽的截面，那么運動時的摩擦阻力將會特別大，O形圈無法滾動，同時引起嚴重的磨損。槽也不宜過寬，因為槽過寬時O形圈的游動范圍很大，也容易磨損。特別是靜密封時，如果工作壓力是脈動的，那么靜密封就不會靜，它將在不適宜的寬槽內(nèi)以同樣的脈動頻率游動，出現(xiàn)異常磨損，使

11、O形圈很快失效。O形圈的截面面積至少應占矩形槽截面面積的85%,槽寬必須大于O形圈壓縮變形后的最大直徑。在許多場合下保證取槽寬為O形圈截面直徑的1.11.5倍。當內(nèi)壓很高時，就必須使用擋圈，這時槽寬也應相應加大。工作方式不同，徑向密封或軸向密封，動密封或靜密封，液壓密封或氣動密封，密封溝槽尺寸不同。我國O形圈密封圈與密封溝槽尺寸系列根據(jù)國家標準GB/T3452.31988）,也可根據(jù)對根據(jù)對密封圈壓縮量與拉伸量的要求計算設計溝槽尺寸。3）槽深的設計溝槽的深度主要取決于O形密封圈所要求的壓縮率，溝槽的深度加上間隙，至少必須小于自由狀態(tài)下的O形圈截面直徑，以保證密封所需的O形圈壓縮的變形量。O形圈

12、壓縮變形量由O形圈內(nèi)徑處的壓縮變形量8'和外徑處的壓縮變形量8''組成，即8=8'+8''。當8'=8''時，O形圈的截面中心與槽的截面中心重合，兩中心圓的圓周相等，說明O形圈安裝時未受到拉伸。如果8'>8'則O形圈截面中心圓的周長小于槽中心圓的周長，說明O形圈以拉伸狀態(tài)裝在槽內(nèi)；若8'<8'則O形圈截面中心圓的周長大于槽的截面中心圓周長，此時，O形圈受周向壓縮，拆卸時，O形圈會出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象。設計槽深時，應首先確定O形圈的使用方式，然后再去選定合理的壓縮變形率。4）槽口及槽底圓角

13、的設計溝槽的外邊口處的圓角是為了防止O形圈裝配時刮傷而設計的。它一般采用較小的圓角半徑，即r=0.10.2mm。這樣可以避免該處形成鋒利的刃口，O形圈也不敢發(fā)生間隙擠出，并能使擋圈安放穩(wěn)定。溝槽槽底的圓角主要是為了避免該處產(chǎn)生應力集中設計的。圓角半徑的取值，動密封溝槽可取R=0.31mm,靜密封溝槽可取其O形圈截面直徑白一半，即R=d/2。5）間隙往復運動的活塞與缸壁之間必須有間隙，其大小與介質(zhì)工作壓力和O形圈材料的硬度有關。間隙太小，制造、加工困難；間隙太大，O形圈會被擠入間隙而損壞。一般內(nèi)壓越大，間隙越小；O形圈材料硬度越大，間隙可放大。當間隙值在曲線的左下方時，將不發(fā)生間隙咬傷即“擠出”

14、現(xiàn)象。間隙的給定數(shù)值與零件的制造精度有很大關系。6）槽壁粗糙度密封溝槽的表面粗糙度，直接影響著O形圈的密封性和溝槽的工藝性。靜密封用O形圈工作過程中不運動，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.33.2m,對于往復運動用O形圈，因常在槽內(nèi)滾動，槽壁與槽底的粗糙程度應到低一些，要求在Ra=1.60m以下。旋轉運動用的O形圈一般在溝槽內(nèi)是靜止的，要求軸的粗糙度Ra=0.40科m或者拋光。4、擋圈擋圈的作用在于防止O形圈發(fā)生“間隙咬傷”現(xiàn)象，提高其使用壓力。安有擋圈的O形圈在高壓作用下，首先向擋圈靠攏。隨著壓力的增加，O形圈與擋圈互相擠壓。由于它們是彈性體，兩者同時發(fā)生變形，此變形首先向它們的上下兩角擴展，直到壓力超過10.5MPa。這種變形一直在兩者之間進行，而不致使擋圈發(fā)生“擠出”現(xiàn)象。根據(jù)擋圈材料和結構形式的不同，其承壓能力提高的程度也不同。當壓力足夠大時，擋圈也會產(chǎn)生“擠出”現(xiàn)象。O形圈使用擋圈后，工作壓力可以大大提高。靜密封壓力能提高到200700MPa；動密封壓力也能提高到40MPa。擋圈還有助于O形圈保持良好的潤滑。如果單向受壓，則在承受側用