O型圈密封是典型的挤压型密封。O型圈截面直径的压缩率和拉伸是密封设计的主要内容,良好的密封效果很大程度上取决于O型圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配,形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。密封装置设计加工时,若使O型圈压缩量过小,就会引起泄漏;压缩量过大则会导致O形密封圈橡胶应力松弛而引起泄漏。同样,O型圈工作中拉伸过度,也会加速老化而引起泄漏。

 

参数因子

1)压缩率

压缩率W通常用下式表示:

W= (do-h)/do%

式中 do——O型圈在自由状态下的截面直径(mm)

h ——O型圈槽底与被密封表面的距离,即O型圈压缩后的截面高度(mm)。

在选取O型圈的压缩率时,应从如下三个方面考虑:

a.要有足够的密封接触面积

b.摩擦力尽量小

c.尽量避免永久变形。

从以上这些因素不难发现,它们相互之间存在着矛盾。压缩率大就可获得大的接触压力,但是过大的压缩率无疑会增大滑动摩擦力和永久变形。而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O型圈误差不符合要求,消失部分压缩量而引起泄漏。因此,在选择O型圈的压缩率时,要权衡个方面的因素。一般静密封压缩率大于动密封,但其极值应小于30%(和橡胶材料有关),否则压缩应力明显松弛,将产生过大的永久变形,在高温工况中尤为严重。

O 形圈密封压缩率W的选择应考虑使用条件,静密封或动密封;静密封又可分为径向密封与轴向密封;径向密封(或称圆柱静密封)的泄漏间隙是径向间隙,轴向密封(或称平面静密封)的泄漏间隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于O型圈的内径还是外径又分受内压和外压两种情况,内压增加的拉伸,外压降低O型圈的初始拉伸。上述不同形式的静密封,密封介质对O型圈的作用力方向是不同的,所以预压力设计也不同。对于动密封则要区分是往复运动还是旋转运动密封。

1.静密封:圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样,一般取W=10%~15%;平面密封装置取W=15%~30%。

2.对于动密封而言,可以分为三种情况:

a.往复运动密封一般取W=10%~15%。

b.旋转运动密封在选取压缩率时必须要考虑焦耳热效应,一般来说,旋转运动用O型圈的内径要比轴径大3%~5%,外径的压缩率W=3%~8%。

c.低摩擦运动用O型圈,为了减小摩擦阻力,一般均选取较小的压缩率,即 W=5%~8%。此外,还要考虑到介质和温度引起的橡胶材料膨胀。通常在给定的压缩变形之外,允许的最大膨胀率为15%,超过这一范围说明材料选用不合适,应改用其他材料的O型圈,或对给定的压缩变形率予以修正。压缩变形的具体数值,一般情况下,各国都根据自己的使用经验制订出标准或给出推荐值。

2)拉伸量

O型圈在装入密封沟槽后,一般都有一定的拉伸量。与压缩率不一样,拉伸量的大小对O型圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。拉伸量大不但会导致O型圈安装困难,同时也会因截面直径do发生变化而使压缩率降低,以致引起泄漏。拉伸量α可用下式表示:

α=(d+do)/(d1+do)

式中

d——轴径(mm);

d1——O型圈的内径(mm);

do——O型圈的截面直径(mm)。

3)接触宽度

O型圈装入密封沟槽后,其横截面产生压缩变形。变形后的宽度及其与轴的接触宽度都和O型圈的密封性能和使用寿命有关,其值过小会使密封性受到影响;过大则增加摩擦,产生摩擦热,影响O型圈的寿命。

O型圈变形后的宽度BO(mm)与O型圈的压缩率W和截面直径dO有关,可用下式计算

BO={1/(1-W)-0.6W}dO (W取10%~40%)

O型圈与轴的接触面宽度b(mm)也取决于W和dO:

b=( 4W2+0.34W+0.31)dO ( W取10%~40%)

对摩擦力限制较高的O型圈密封,如气动密封、液压伺服控制元件密封,可据此估算摩擦力。

材料工艺设计

绝大多数的O型圈是用合成橡胶材料制成的。合成橡胶O型圈的尺寸由国际标准(ISO3601/1)国家标准和组织标准等确定。如有些国家将O型圈的尺寸系列分为P系列(运动用)、G系列(固定用)、V系列(真空用)和ISO系列(一般工业用)四个系列组成。

我国的O型圈内径、截面直径尺寸及公差由GB/T34542.1—1992规定。

密封装置的密封可靠性主要取决于O型圈的压缩量。在一般的情况下,这种压缩量都是很小的,只有十几微米到几十微米,这就要求O型圈的尺寸公差具有很高的精度。因此,O型圈需要采用高精度的模具进行加工,同时必须准确地掌握作为设计依据的O型圈材质的收缩率。一般只能通过实测,来获得O型圈的收缩率。值得注意的是:

1)O型圈截面收缩率很小,一般不予考虑。只有在其截面直径大于8mm的情况下,才予以考虑。

2)在配方和工艺条件一定的情况下,O型圈的收缩率会随着材质硬度的提高而减小,也会随着其内径的减小而提高。具有中等硬度(HS75±5),以及中等大小(内径d=40~70mm)的O型圈,其内径的收缩率大约为1.5%。

一般,在静密封场合,可选择截面较小的密封圈;在动密封场合,应选择截面较大的密封圈。通常,压力较高和间隙较大时,应选择较高硬度的材料;也可以选择一般硬度的材料,再安装一个聚四氟乙烯挡圈。

沟槽设计

O形密封圈的压缩量与拉伸量是由密封沟槽的尺寸来保证的,O形密封圈选定后,其压缩量、拉伸量及其工作状态由沟槽决定,所以,沟槽设计与选择对密封装置的密封性和使用寿命的影响很大,沟槽设计是O型圈密封设计的主要内容。

密封沟槽设计包括确定沟槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙等,对动密封,还有确定相对运动间隙。沟槽设计原则是:加工容易,尺寸合理,精度容易保证,O型圈装拆较为方便。常见的槽形为矩形槽。

1)沟槽形状

矩形沟槽是液压气动用O形密封圈使用最多的沟槽形状。这种沟槽的优点是加工容易,便于保证O形密封圈具有必要的压缩量。除矩形沟槽外,还有V形、半圆形、燕尾形和三角形等型式的沟槽。

三角形沟槽截面形状是以M为直角边的等边直角三角形。截面积大约为O型圈截面面积的1.05~1.10倍。三角形沟槽式密封装置在英国、美国、日本等国家均有应用。设计的原则是O形密封圈内径的公称尺寸相等。

密封沟槽即可开在轴上,也可开在孔上;轴向密封则沟槽开在平面上。

2)槽宽的设计

密封沟槽的尺寸参数取决于O形密封圈的尺寸参数。

沟槽尺寸可按体积计算,通常要求矩形沟槽的尺寸比O型圈的体积大15%左右。这是因为:

a.O型圈装入沟槽后,承受3%~30%的压缩,而橡胶材料本身是不可压缩的,所以应有容纳O型圈变形部分的空间。

b.处于油液中的O型圈,除了存在由于油液的浸泡而可能引起的橡胶材料的膨胀外,还有可能存在随着液体工作温度的增高,而引起橡胶材料的膨胀现象。所以沟槽必须留有一定的余量。

c.在运动状态下,能适应O型圈可能产生的轻微的滚动现象。一般认为,装配后的O形密封圈与槽壁之间留有适当的间隙是必要的。但是这个间隙不能过大,否则在交变压力的作用下就会变成有害的“游隙”,而增加O型圈的磨损。

槽不宜太窄,如果O型圈截面填满了槽的截面,那么运动时的摩擦阻力将会特别大,O型圈无法滚动,同时引起严重的磨损。槽也不宜过宽,因为槽过宽时O型圈的游动范围很大,也容易磨损。特别是静密封时,如果工作压力是脉动的,那么静密封就不会静,它将在不适宜的宽槽内以同样的脉动频率游动,出现异常磨损,使O型圈很快失效。

O型圈的截面面积至少应占矩形槽截面面积的85%,槽宽必须大于O型圈压缩变形后的最大直径。在许多场合下保证取槽宽为O型圈截面直径的1.1~1.5倍。当内压很高时,就必须使用挡圈,这时槽宽也应相应加大。

工作方式不同,径向密封或轴向密封,动密封或静密封,液压密封或气动密封,密封沟槽尺寸不同。我国O型圈密封圈与密封沟槽尺寸系列根据国家标准GB/T3452.3—1988),也可根据对根据对密封圈压缩量与拉伸量的要求计算设计沟槽尺寸。

3)槽深的设计

沟槽的深度主要取决于O形密封圈所要求的压缩率,沟槽的深度加上间隙,至少必须小于自由状态下的O型圈截面直径,以保证密封所需的O型圈压缩的变形量。

O型圈压缩变形量由O型圈内径处的压缩变形量δ’ 和外径处的压缩变形量δ’’ 组成,即 δ=δ’+δ’’。当δ’=δ’’时,O型圈的截面中心与槽的截面中心重合,两中心圆的圆周相等,说明O型圈安装时未受到拉伸。如果δ’>δ’’,则O型圈截面中心圆的周长小于槽中心圆的周长,说明O型圈以拉伸状态装在槽内;若δ’<δ’’,则O型圈截面中心圆的周长大于槽的截面中心圆周长,此时,O型圈受周向压缩,拆卸时,O型圈会出现弹跳现象。

设计槽深时,应首先确定O型圈的使用方式,然后再去选定合理的压缩变形率。

4)槽口及槽底圆角的设计

沟槽的外边口处的圆角是为了防止O型圈装配时刮伤而设计的。它一般采用较小的圆角半径,即r=0.1~0.2mm。这样可以避免该处形成锋利的刃口,O型圈也不敢发生间隙挤出,并能使挡圈安放稳定。

沟槽槽底的圆角主要是为了避免该处产生应力集中设计的。圆角半径的取值,动密封沟槽可取R=0.3~1mm,静密封沟槽可取其O型圈截面直径的一半,即R=d/2。

5)间隙

往复运动的活塞与缸壁之间必须有间隙,其大小与介质工作压力和O型圈材料的硬度有关。间隙太小,制造、加工困难;间隙太大,O型圈会被挤入间隙而损坏。一般内压越大,间隙越小;O型圈材料硬度越大,间隙可放大。当间隙值在曲线的左下方时,将不发生间隙咬伤即“挤出”现象。

间隙的给定数值与零件的制造精度有很大关系。

6)槽壁粗糙度

密封沟槽的表面粗糙度,直接影响着O型圈的密封性和沟槽的工艺性。静密封用O型圈工作过程中不运动,所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm,对于往复运动用O型圈,因常在槽内滚动,槽壁与槽底的粗糙程度应到低一些,要求在Ra=1.60μm以下。旋转运动用的O型圈一般在沟槽内是静止的,要求轴的粗糙度Ra=0.40μm或者抛光。

挡圈

着压力的增加,O型圈与挡圈互相挤压。由于它们是弹性体,两者同时发生变形,此变形首先向它们的上下两角扩展,直到压力超过10.5MPa。这种变形一直在两者之间进行,而不致使挡圈发生“挤出”现象。根据挡圈材料和结构形式的不同,其承压能力提高的程度也不同。当压力足够大时,挡圈也会产生“挤出”现象。

O型圈使用挡圈后,工作压力可以大大提高。静密封压力能提高到200~700MPa;动密封压力也能提高到40MPa。挡圈还有助于O型圈保持良好的润滑。如果单向受压,则在承受侧用一个挡圈;如果双向受压则用两个挡圈。对于静密封,内压在32MPa以下不用挡圈,超过此值用挡圈。使用挡圈后虽可防止O型圈发生“间隙咬伤”现象,但会增加密封装置的摩擦阻力。

挡圈的材料有皮革、硬橡胶和聚四氟乙烯等,也有尼龙6和尼龙1010的。而以聚四氟乙烯挡圈最为常用。聚四氟乙烯作为挡圈材料有下列有点。

1)工作精度高。

2)耐化学品性能优异,可用于几乎所有的介质。

3)无硬化破损现象。

4)使用温度范围宽。

5)摩擦力小。

6)无吸水性。

7)在177℃温度下不发生老化等。