O型圈基础知识分析

O形圈基础知识作者吴丹时间2011.4.16一、概述1.1O形圈特点O形圈是一种小截面的圆环形密封元件，常用截面是圆形。主要材料为合成橡胶，在液压工程中是用的最多、最普遍的一种密封件，主要做静密封及滑动密封用。与其他密封件比有如下特点：a.密封性好，寿命长。b.单圈就可对两个方向起密封作用。c.对油液、温度和压力的适应性好。d.动摩擦阻力小。e.体积小，重量轻，成本低。f.密封部位结构简单，拆装方便g.既可做静密封也可做动密封。h.尺寸和沟槽已被标准化，选用和外购方便。其缺点是，在做动密封启动时，摩擦阻力较大，约为动摩擦力的3～4倍，在高压下易被挤入间隙。1.2表示方法1GB/T3452.1-1982的表示方法内径d1×线径d2比如：1）O形圈20×2.4GB3452.1-8220代表O形圈内径为20mm2.4代表O形圈的截面直径是2.4mmGB3452.1代表的是标准号，82代表的是标准公布年代。2）24002000GB3452.1-822400代表O形圈的截面直径是2.4mm0200代表O形圈内径为20mm1.2表示方法2GB/T3452.1-2005的表示方法比如（1）O形圈7.5×1.8GGB/T3452.1，7.5——内径1.8——断面直径G——系列（G—通用O形圈)（A—宇航用O形圈）（2）A0×0×7×5×GGB/T3452.1A—O形圈线径1.80mmB—O形圈线径2.65mmC—O形圈线径3.55mmD—O形圈线径5.30mmE—O形圈线径7.30mm二、O形圈密封工作状态2.1静密封用O形圈的作用O型密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。像这种借介质本身来改变O形圈接触状态使之实现密封的过程，称为“自封作用”。O形圈预密封PPPP3maxPP3max2.1静密封用O形圈的作用自密封作用：由于预密封作用，O形圈与被密封光滑面和沟槽底面紧密接触。这样当流体通过间隙进入沟槽时只能对O形圈的一侧面起作用。当流体压力较大时，把O形圈推向沟槽另一侧面而挤压成D形，并把压力传递给接触给接触面。O形圈的自封是有限的，当内压过高时，会出现O形圈的“胶料挤出”现象。即密封部位因有间隙存在，受高压作用的O形圈在间隙处会产生应力集中，当应力达到O形圈的料胶不能承受时，料胶就会被挤出来，此时虽然O形圈还能暂时维持密封，但实际已损坏。因此要严格选型。2.2动密封用O形圈的作用O形圈在动密封中，其预密封效果和自密封作用与静密封一样。但由于杆运动时很容易将流体带到O形圈和杆之间，因此情况比较复杂。工作中，假设O形圈左侧作用着介质压力P1（如图a），若将O形圈与杆接触部位放大（图b），其接触表面实际是凹凸不平的，并非每一点都与金属表面接触。由于自封作用，O形圈对杆产生的接触压力大于P1而得到密封。但当杆开始向右移动时附着在杆上的介质被带到楔形狭缝（图c）。由于流体动压效应这部分介质的压力比P1大。当它大于O形圈对杆的接触力时，介质便挤入O形圈的第一个凹槽处（图d），杆继续向右移动时介质不断地进入下一个凹槽，介质便沿着杆运动的方向泄露。当杆向左运动时，由于赶运动方向与杆压力方向相反，故不易泄露。泄漏量是随着介质的粘度和杆的运动速度提高而增大的，还与O形圈的尺寸、工作压力等密切相关。a压力作用于O形圈一侧b接触部位放大图c油被带到楔形狭缝d油被挤入O形圈第一凹槽往复运动中橡胶O形圈的泄露back2.3O形圈的密封形式1按密封件与被密封装置的相对运动状态可以分为：静密封、往复动密封、转动密封和开关密封。2按O形圈在矩形沟槽中压缩密封配合的压缩量大小（松紧程度）可分为：压紧、套紧、液动、气动和转动5种基本密封配合，以及在端面倒角槽中挤紧密封配合。此外还有滑动密封和浮动密封两种特殊密封方法。3按被密封件的结构可分为：端面密封即轴向密封、角密封（孔端面倒角槽密封、轴端面倒角槽密封）、圆柱密封即径向密封（圆柱内径密封（活塞杆密封）、圆柱外径密封（活塞密封））、圆锥面密封和球面密封。三、O形圈的设计应用3.1O形圈的使用参数3.1.1压缩率压缩率W通常用下式表示：W=（d2-h）/d2×100%式中d2-----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（沟槽深度），即O型圈压缩后的截面高度(mm)在选取O形圈的压缩率时,应从如下3方面考虑：1．要有足够的密封接触面积；2．摩擦力尽量小；3．尽量避免永久变形。3.1.1压缩率O型密封圈压缩率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；径向密封的泄漏间隙是径向间隙，轴向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形圈的内径还是外径又分受内压和受外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的静密封，密封介质对O形圈的作用方向是不同的，所以预压力设计也不同。对于动密封则要区分是往复运动密封还是旋转运动密封。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%；平面静密封装置取W=15%～30%。2．对于动密封而言，可以分为三种情况；往复运动一般取W=10%～15%。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形圈的内径要比轴径大3%-5%，外径的压缩率W=3%-8%。低摩擦运动用O型圈，为了减少摩擦阻力，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形圈，或对给定的压缩变形率予以修正。3.1.2拉伸量O型圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率一样，拉伸量的大小对O型圈的密封性能和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d2发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量a可用下式表示：α=(d+d2)/(d1+d2)式中d-----轴径（mm）；d1----O形圈内径（mm）。拉伸量的取值范围为1%-5%。如表一给出了O型圈拉伸量的推荐值，可根据轴径的大小，按表选限取O型圈的拉伸量。密封形式密封介质拉伸量α（%）压缩率w（%）静密封液压油1.03～1.0415～25空气1.0115～25往复运动液压油1.0212～17空气1.0112～17旋转运动液压油0.95～１3～8表一O型圈压缩率与拉伸量的限取范围3.2O形圈的安装沟槽O形圈压缩量的大小主要由安装沟槽的结构和尺寸来保证。常用的沟槽形状有矩形和三角形，一般情况三角形仅用于某些固定密封。由于压缩量不同所以静密封、往复运动密封、选装运动密封的沟槽虽形状相似，但尺寸各不相同。3.2.1槽宽槽宽主要从下面三个方面考虑：1）必须大于O形圈压缩变形后的最大直径。2）必须考虑到O形圈由于运动发热引起的膨胀和介质溶胀。3）必须保证往复运动时槽内有一定的空间使O形圈滚动自如。一般认为，O形圈的截面面积至少应占据矩形截面面积的85%，在许多场合下取槽宽为O形圈截面直径的1.5倍。注：沟槽太窄会增大运动时的摩擦阻力，O形圈磨损加大，易损；沟槽太宽使得O形圈的游动范围增大，也易磨损，且在静密封的脉动压力下，O形圈也可能产生脉动游动出现异常磨损。另外，当内压很高时必须用挡圈，槽宽应相应增大。3.2O形圈的安装沟槽3.2.2槽深槽深是O形圈能否良好工作的关键尺寸，主要取决O形圈的压缩变形量。此变形量由O形圈内径处的压缩变形量（δ1）和O形圈外径处的压缩变形量（δ2）组成，当δ1=δ2时，O形圈截面与槽截面中心重合，两种心愿的圆周相等，说明O形圈安装时未受到拉伸；当δ1＞δ2时，O形圈截面中心的周长小于沟槽中心的周长，说明O形圈以拉伸状态在沟槽内；当δ1＜δ2时，O形圈截面周长大于沟槽截面中心周长，此时O形圈以周向压缩来使用，拆卸时，O形圈会出现弹跳现象。设计槽深时应首先确定O形圈的使用方式，然后再去选定合理的压缩变形率（详见表一）。除此之外，也要考虑材料对介质的溶胀性，材料本身的膨胀性等相关因素，需考虑诸多设计因素。但国家对于沟槽的结构已经给出相关标准。3.2O形圈的安装沟槽3.2.3沟槽的选择设计1.沟槽的安装形式a径向活塞密封沟槽b径向活塞杆密封沟槽3.2.3沟槽的选择设计1.沟槽的安装形式c径向带挡圈的沟槽d轴向沟槽说明：1）一般情况，为防止O形圈被挤入间隙而损坏，当液体工作压力超过10MPa时，固定密封当液体压力超过32MPa时，应加密封挡圈（如图c），挡圈多少视O形圈受压情况而定。2）轴向密封外部受压时注意加直径d8处凸台，以防止O形圈进入管路。表二O形圈径向沟槽尺寸O形圈截面直径d21.802.653.555.307.00沟槽宽度气动密封2.23.44.66.99.3液压动密封或静密封b+0.252.43.64.87.19.59.5b1+0.253.85.06.29.012.3b2+0.255.26.47.610.915.1沟槽深度t活塞杆密封，（计算d3用）液压动密封1.422.162.964.485.95气动动密封1.462.233.034.656.20静密封1.382.072.744.195.67活塞杆密封，（计算d6用）液压动密封1.472.243.074.666.16气动动密封1.572.373.244.866.43静密封1.422.152.854.365.89最小倒角长度Zmin1.11.51.82.73.6槽底圆角半径r10.2-0.40.4-0.80.8-1.2槽楞圆角半径r20.1-0.3活塞杆密封沟槽槽底最大直径d3max=d4+2t，d4活塞杆直径活塞杆密封沟槽槽底最小直径d6min=d5max+2t，d5max活塞杆最大直径3.2.3沟槽的选择设计1.沟槽的安装形式O形圈的沟槽尺寸系列，中国已制定有标准，详见表三。表三密封用沟槽尺寸及压缩量3.2.3沟槽的选择设计3.O形圈沟槽加工要求为避免划伤和安装不当等问题造成的泄露，O形圈在安装时对沟槽及相关部件的精度都有一定要求。首先，安装时通过的尖叫需倒钝或修圆，通过的内孔应倒10～20°坡口。其次，注意O形圈安装路径上的表面精度，轴须有较低的粗糙度值，必要时需涂以润滑剂，对于安装沟槽及配合表面精度的要求详见表四。表四O形橡胶密封沟槽各配合偶件的表面光洁度3.3O形圈的材料选用O形圈材料选择主要考虑以下几点：1）O形圈的工作状态是指O形圈用于静密封、动密封还是滑动密封。2）机器的工作状态指机器处于连续工作还是断续工作，并考虑倒每次断续时间的长短，是否有冲击载荷作用在密封部位。3）工作介质的情况工作介质是气体还是液体，并考虑其物理和化学性能。4）工作压力压力大小，波动幅度和频率以及瞬时出现的最大压力等。5）工作温度包括瞬时出现的温度以及冷热交替出现的温度。6）价格与来源。一般来说耐油用丁腈橡胶，耐天候和臭氧用氯丁橡胶，耐热用丙烯酸酯橡胶或氟橡胶，耐高压、耐磨用聚氨酯橡胶，耐寒同时又耐油用共聚氯醇橡胶等。各种胶料的适用范围详见表五。（其他见附件）材料适用介质使用温度/℃备注运动用静止用丁腈橡胶矿物油，汽油，苯80-30～120氯丁橡胶空气，水，氧80-40～120运动用应注意丁基橡胶动、植物油，弱酸，碱80-30～110永久变形大，不适用矿物油丁苯橡胶碱，动、植物油，空气，水80-30～100不适用矿物油天然橡胶水，弱酸，弱碱60-30～90不适用矿物油硅橡胶高、低温油，矿物油，动、植物油，氧，弱酸，弱碱-60～260-60～260不适用蒸汽，运动部位避免使用氯磺化聚乙烯高温油，氧，臭氧100-10～150运动部位避免使用聚氨酯橡胶水，油60-30～80耐磨，但避免高速使用氟橡胶热油，蒸汽，空气，无机酸，卤素类溶剂150-20～200聚四氟乙烯酸，碱，各种溶剂-100～260不适用运动部位表五O形圈密封材料使用规范谢谢大家！