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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 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，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,，一般均選取較小的壓縮率,，即 W=5%~8%。此外,，還要考慮到介質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,，或對給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,，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)-0.6W}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/T34542.1—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：
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形圈的收縮率會隨著材質硬度的提高而減小，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=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、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,、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1.1~1.5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/T3452.3—1988）,，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δ’=δ’’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δ’>δ’’,，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δ’<δ’’,，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=0.1~0.2mm。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)生應力集中設計的,。圓角半徑的取值,，動密封溝槽可取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
往復運動的活塞與缸壁之間必須有間隙，其大小與介質工作壓力和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”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=6.3~3.2μm，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=1.60μm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=0.40μm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200~700MPa,；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,，則在承受側用一個擋圈；如果雙向受壓則用兩個擋圈。對于靜密封,，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,。
1）工作精度高,。
2）耐化學品性能優(yōu)異，可用于幾乎所有的介質,。
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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