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發(fā)表于 2011-12-26 10:52:02
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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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,，對(duì)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(shè)計(jì)加工時(shí)，若使O形圈壓縮量過小,，就會(huì)引起泄漏,；壓縮量過大則會(huì)導(dǎo)致O形密封圈橡膠應(yīng)力松弛而引起泄漏。同樣,，O形圈工作中拉伸過度,，也會(huì)加速老化而引起泄漏。世界各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此都有較嚴(yán)格的規(guī)定,。
1,、O形圈密封的設(shè)計(jì)原則
1）壓縮率
壓縮率W通常用下式表示：
W= (do-h)/do%
式中 do——O形圈在自由狀態(tài)下的截面直徑（mm）
h ——O形圈槽底與被密封表面的距離，即O形圈壓縮后的截面高度（mm）,。
在選取O形圈的壓縮率時(shí),，應(yīng)從如下三個(gè)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(huì)增大滑動(dòng)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(shí),，要權(quán)衡個(gè)方面的因素,。一般靜密封壓縮率大于動(dòng)密封，但其極值應(yīng)小于30%(和橡膠材料有關(guān)）,，否則壓縮應(yīng)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(yán)重,。
O 形圈密封壓縮率W的選擇應(yīng)考慮使用條件,，靜密封或動(dòng)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(duì)O形圈的作用力方向是不同的,，所以預(yù)壓力設(shè)計(jì)也不同。對(duì)于動(dòng)密封則要區(qū)分是往復(fù)運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封,。
1.靜密封：圓柱靜密封裝置和往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(duì)于動(dòng)密封而言,，可以分為三種情況：
a.往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封一般取W=10%~15%。
b.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封在選取壓縮率時(shí)必須要考慮焦耳熱效應(yīng),，一般來說,，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)用O形圈,，為了減小摩擦阻力，一般均選取較小的壓縮率,，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(yīng)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(guó)都根據(jù)自己的使用經(jīng)驗(yàn)制訂出標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(huì)導(dǎo)致O形圈安裝困難,，同時(shí)也會(huì)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α可用下式表示：
α=(d+do)/（d1+do）
式中
d——軸徑（mm）,；
d1——O形圈的內(nèi)徑（mm）；
do——O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(guān),，其值過小會(huì)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(guān)，可用下式計(jì)算
BO={1/(1-W)-0.6W}dO （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+0.34W+0.31)dO ( W取10%~40%)
對(duì)摩擦力限制較高的O形圈密封,，如氣動(dòng)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(shè)計(jì)
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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO3601/1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和組織標(biāo)準(zhǔn)等確定,。如有些國(guó)家將O形圈的尺寸系列分為P系列（運(yùn)動(dòng)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(gè)系列組成,。
我國(guó)的O形圈內(nèi)徑、截面直徑尺寸及公差由GB/T34542.1—1992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。因此,，O形圈需要采用高精度的模具進(jìn)行加工,，同時(shí)必須準(zhǔn)確地掌握作為設(shè)計(jì)依據(jù)的O形圈材質(zhì)的收縮率。一般只能通過實(shí)測(cè),，來獲得O形圈的收縮率,。值得注意的是：
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8mm的情況下，才予以考慮。
2）在配方和工藝條件一定的情況下，O形圈的收縮率會(huì)隨著材質(zhì)硬度的提高而減小，也會(huì)隨著其內(nèi)徑的減小而提高。具有中等硬度（HS75±5），以及中等大小（內(nèi)徑d=40~70mm）的O形圈,，其內(nèi)徑的收縮率大約為1.5%,。
一般,，在靜密封場(chǎng)合,，可選擇截面較小的密封圈；在動(dòng)密封場(chǎng)合,，應(yīng)選擇截面較大的密封圈。通常,，壓力較高和間隙較大時(shí),，應(yīng)選擇較高硬度的材料,；也可以選擇一般硬度的材料,，再安裝一個(gè)聚四氟乙烯擋圈。
3、O形密封圈密封溝槽設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)與選擇對(duì)密封裝置的密封性和使用壽命的影響很大,，溝槽設(shè)計(jì)是O形圈密封設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。
密封溝槽設(shè)計(jì)包括確定溝槽的形狀,、尺寸,、精度和表面粗糙等，對(duì)動(dòng)密封,，還有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)間隙,。溝槽設(shè)計(jì)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(dòng)用O形密封圈使用最多的溝槽形狀,。這種溝槽的優(yōu)點(diǎn)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,、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1.05~1.10倍。三角形溝槽式密封裝置在英國(guó),、美國(guó),、日本等國(guó)家均有應(yīng)用。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
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(jì)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?yàn)椋?br />
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(yīng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,，能適應(yīng)O形圈可能產(chǎn)生的輕微的滾動(dòng)現(xiàn)象。一般認(rèn)為,，裝配后的O形密封圈與槽壁之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙是必要的。但是這個(gè)間隙不能過大,，否則在交變壓力的作用下就會(huì)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(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力將會(huì)特別大，O形圈無法滾動(dòng)，同時(shí)引起嚴(yán)重的磨損,。槽也不宜過寬,，因?yàn)椴圻^寬時(shí)O形圈的游動(dòng)范圍很大，也容易磨損,。特別是靜密封時(shí),，如果工作壓力是脈動(dòng)的，那么靜密封就不會(huì)靜,，它將在不適宜的寬槽內(nèi)以同樣的脈動(dòng)頻率游動(dòng),，出現(xiàn)異常磨損，使O形圈很快失效,。
O形圈的截面面積至少應(yīng)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(chǎng)合下保證取槽寬為O形圈截面直徑的1.1~1.5倍,。當(dāng)內(nèi)壓很高時(shí),，就必須使用擋圈，這時(shí)槽寬也應(yīng)相應(yīng)加大,。
工作方式不同,，徑向密封或軸向密封，動(dòng)密封或靜密封,，液壓密封或氣動(dòng)密封,，密封溝槽尺寸不同。我國(guó)O形圈密封圈與密封溝槽尺寸系列根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3452.3—1988）,，也可根據(jù)對(duì)根據(jù)對(duì)密封圈壓縮量與拉伸量的要求計(jì)算設(shè)計(jì)溝槽尺寸,。
3）槽深的設(shè)計(jì)
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形圈壓縮變形量由O形圈內(nèi)徑處的壓縮變形量δ’ 和外徑處的壓縮變形量δ’’ 組成,，即 δ=δ’+δ’’,。當(dāng)δ’=δ’’時(shí)，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(shí)未受到拉伸。如果δ’>δ’’,，則O形圈截面中心圓的周長(zhǎng)小于槽中心圓的周長(zhǎng),，說明O形圈以拉伸狀態(tài)裝在槽內(nèi)；若δ’<δ’’,，則O形圈截面中心圓的周長(zhǎng)大于槽的截面中心圓周長(zhǎng),，此時(shí),，O形圈受周向壓縮，拆卸時(shí),，O形圈會(huì)出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象,。
設(shè)計(jì)槽深時(shí)，應(yīng)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）槽口及槽底圓角的設(shè)計(jì)
溝槽的外邊口處的圓角是為了防止O形圈裝配時(shí)刮傷而設(shè)計(jì)的。它一般采用較小的圓角半徑,，即r=0.1~0.2mm,。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(yīng)力集中設(shè)計(jì)的。圓角半徑的取值,，動(dòng)密封溝槽可取R=0.3~1mm,，靜密封溝槽可取其O形圈截面直徑的一半，即R=d/2,。
5）間隙
往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(guān)。間隙太小,，制造,、加工困難；間隙太大,，O形圈會(huì)被擠入間隙而損壞,。一般內(nèi)壓越大，間隙越�,�,；O形圈材料硬度越大，間隙可放大,。當(dāng)間隙值在曲線的左下方時(shí),，將不發(fā)生間隙咬傷即“擠出”現(xiàn)象。
間隙的給定數(shù)值與零件的制造精度有很大關(guān)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(yùn)動(dòng),，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm,，對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)用O形圈，因常在槽內(nèi)滾動(dòng),，槽壁與槽底的粗糙程度應(yīng)到低一些，要求在Ra=1.60μm以下。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用的O形圈一般在溝槽內(nèi)是靜止的,，要求軸的粗糙度Ra=0.40μm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(shí)發(fā)生變形,，此變形首先向它們的上下兩角擴(kuò)展，直到壓力超過10.5MPa,。這種變形一直在兩者之間進(jìn)行,，而不致使擋圈發(fā)生“擠出”現(xiàn)象。根據(jù)擋圈材料和結(jié)構(gòu)形式的不同,，其承壓能力提高的程度也不同,。當(dāng)壓力足夠大時(shí)，擋圈也會(huì)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200~700MPa,；動(dòng)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(rùn)滑。如果單向受壓,，則在承受側(cè)用一個(gè)擋圈,；如果雙向受壓則用兩個(gè)擋圈。對(duì)于靜密封,，內(nèi)壓在32MPa以下不用擋圈,，超過此值用擋圈。使用擋圈后雖可防止O形圈發(fā)生“間隙咬傷”現(xiàn)象,，但會(huì)增加密封裝置的摩擦阻力,。
擋圈的材料有皮革、硬橡膠和聚四氟乙烯等,，也有尼龍6和尼龍1010的,。而以聚四氟乙烯擋圈最為常用。聚四氟乙烯作為擋圈材料有下列有點(diǎn),。
1）工作精度高,。
2）耐化學(xué)品性能優(yōu)異,，可用于幾乎所有的介質(zhì)。
3）無硬化破損現(xiàn)象,。
4）使用溫度范圍寬,。
5）摩擦力小。
6）無吸水性,。
7）在177℃溫度下不發(fā)生老化等,。 |
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