汽车密封基础知识

1密封基础知识12目录第一章密封的概述及分类第二章密封圈的材料及选择第三章O型密封圈的概述及原理第四章O型密封圈的设计第五章O型密封圈保管、安装以及失效处理3密封的概述及分类密封的概述密封的作用：1.防止内部泄漏2.防止外部杂质侵入内部3.吸收冲击能4.消音、隔热、（绝缘）密封就是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件而采取的措施。同时也能使机械设备在长时间的扳动和冲击下保持良好的锁紧作用，中止和减少外界的能量传递。简而言之，密封就是为了将内外部隔离而采取的措施。4密封的概述及分类密封的分类按密封副的材料分为：硬密封：密封副的两侧均是金属材料或较硬的其他材料的被称为“硬密封”；软密封：密封副的两侧一侧是金属材料，另一侧是有弹性的非金属材料的被称为“软密封”。5密封的概述及分类密封的分类静密封:主要有垫密封、胶密封和直接接触密封三大类。根据工作压力，静密封又可分为中低压静密封和高压静密封（10MPa以上）。中低压静密封常用材质较软、垫片较宽的垫密封，高压静密封则用材料较硬、接触宽度很窄的金属垫片。动密封:可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损以及发热的限制，只适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。非接触式密封：气膜、油膜、迷宫等。6密封圈的材料及选择密封材料的性能是保证有效密封的重要因素，选择密封材料，主要是根据密封元件的工作环境：使用温度、工作压力、所使用的工作介质以及运动方式等。对密封材料的基本要求如下：⒈具有一定的力学性能，如拉伸强度、伸长率等；⒉弹性和硬度适当，压缩永久变形小；⒊耐高温和低温，高温下不分解、软化，低温下不硬化；⒋与工作介质相适应，不产生溶胀、分解、硬化等；⒌耐氧性和耐老化性好，经久耐用；⒍耐磨损，耐腐蚀；⒎易于成形加工，价格低廉；而密封材料通常是橡胶材料，少数也用复合材料制作密封元件7密封圈的材料及选择注：◎—有耐性；○—除特定场合外，有耐性；△—除特定场合外，无耐性；×—无耐性。密封材料石油基液压油和矿物基润滑酯难燃性液压油使用温度范围水-油乳化液水-乙二醇基磷酸酯基静密封动密封丁腈橡胶-NBR聚氨酯橡胶氟橡胶-FKM硅橡胶-VMQ丙烯酸酯橡胶-ACM丁基橡胶乙丙橡胶-EPDM聚四氟乙烯-PTFE纤维◎○◎○◎××◎◎○△○○○××◎◎○×◎×○○○◎◎××◎△×△△◎◎-40~+120-30~+80-25~+250-50~+280-10~+180-20~+130-30~+120-65~+260-50~+160-40~+100一般不用-25~+180一般不用-10~+130-20~+80-30~+120-65~+260-50~+160常用橡胶密封材料所适应的介质和使用温度范围8密封圈的材料及选择聚醚型聚氨脂聚脂型聚氨脂9密封圈的材料及选择10密封圈的材料及选择常用合成树脂密封材料:常用合成树脂中，使用最多的是聚四氟乙烯树脂。在聚四氟乙烯中掺入不同的充填材料，可改善和提高其综合物理化学性能，从而扩大了它的使用范围。因此，聚四氟乙烯树脂密封材料可适用石油基液压油、水-油乳化液、水-乙二醇基液压液、磷酸脂基液压液等工作介质的密封。常用合成树脂密封材料的主要特点和应用范围见表2。11密封圈的材料及选择名称使用温度/℃主要特点应用范围聚四氟乙烯及加充填物聚四氟乙烯-100~+260耐磨性极佳,耐热\耐塞性优良,能耐几乎全部化学药品及溶剂和油等液体.弹性差,热胀系数大适用于制作挡圈、支承环、导向支承环及压环，与O形圈等组合成同轴密封圈。喷涂、贴粘在密封件工作面，以降低摩擦因数，提高耐热性。制作生料带聚酰胺尼龙-40~+100耐磨性能佳（优于铜和一般钢材），耐弱酸、弱碱和水、醇等溶剂。冲击性好，有一定的机械强度，抗强酸腐蚀性差，溶于浓硫酸、苯酚，有吸水性及冷流性适用于制造挡圈、压环、导向支承环等。三元尼龙与丁腈并用制作往复动密封，可改善密封件性能聚甲醛-40~+100动静摩擦因数较小，耐有机溶剂及化学腐蚀，具有良好的机械性能及抗蠕变性适用于制作往复运动密封圈用的挡圈和导向支承环等表2常用合成树脂密封材料的主要特点和应用范围12密封圈的材料及选择常用金属密封材料:金属密封材料主要用于静密封。材料使用温度/℃应用范围材料使用温度/℃应用范围铅银黄铜镍紫铜100650260810315适用于高温、高压油、高压水蒸气等场合蒙乃尔合金铝不锈钢钦锆810430870540适用于高温、高压油、高压水蒸气等场合表3常用金属密封材料的种类和应用范围13O型密封圈的概述及原理O型密封圈通常指O型橡胶密封圈，因为橡胶的综合性能比较优越，因此一般都用橡胶密封圈。O型密封圈是一种截面为圆形的橡胶圈，因其截面为O型，故称其为O型密封圈。是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种。主要用于机械部件在静态条件下防止液体和气体介质的泄露。它主要用于静密封和往复运动密封。其使用速度范围一般为0.005~0.3m/s。用于旋转运动密封时，仅限于低速回转密封装置。根据不同的条件,可分别选择不同的材料与之相适应。14标准大部分国家对O形密封圈都制定系列产品标准，其中美国标准（AS568）、日本标准（JISB2401）、国际标准（ISO3601/1）较为通用。O型密封圈的概述及原理15O形密封圈与其他形式密封圈比较，具有以下优点：1）结构小巧，装拆方便。2）静、动密封均可使用。3）动摩擦阻力比较小。4）使用单件O形密封圈，可对两个方向起密封作用。5）价格低廉。但是，当设备闲置时间过久而再次起动时，O形密封圈的摩擦阻力会因其与密封副耦合面的粘附而陡增，并出现蠕动现象。O型密封圈的概述及原理16O型密封圈的概述及原理O形密封圈装入密封槽后，其界面承受接触压缩应力而产生变形。当没有介质压力时，密封圈在自身的弹性力作用下，对接触面产生一个预接触应力p0，如图a所示。即使没有介质压力或者压力很小，O形密封圈靠自身的弹性力作用而也能实现密封，而当容腔内充入有压力的介质后，则在介质压力p的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，且其弹性变形进一步加大，填充和封闭了密封间隙δ。此时，作用于密封副偶合面的接触压力上升至pm。用于静密封时的密封原理17O型密封圈的概述及原理Pm=Po+Pp式中从而大大增加了密封效果,如图b所示。由于一般K≥1，所以Pm＞P。由此可见，只要O形密封圈存在初始压力，就能实现无泄漏的绝对密封。当容腔内的介质卸压后（p=0），则由于O形密封圈仍具有初装时的预接触应力p0，故仍能保证密封性能。此即所谓O形密封圈的自密封作用。Pp——经O形圈传给接触面的接触压力Pp=K²PK——压力传递系数，对于橡胶制O形密封圈K=1；P——被密封液体的压力（0.1MPa）。18用于往复运动密封时的密封原理O形密封圈在往复运动滑移面上的接触情况，如图1所示。此时O形密封圈的动密封作用主要还是依靠其预压缩和加压后作用于耦合面上的接触应力，且由于O形密封圈自身的弹性而具有磨损后自动补偿的能力。图1O形密封圈的动密封原理O型密封圈的概述及原理因此，O形密封圈不宜应用于滑移面需频繁往复运动的密封装置中。19此外，还存在其他复杂情况：当用于液体介质密封时，由于液体的压力、粘度及运动速度等因素的作用，沿滑移面和密封件间形成一层粘附力极强的边界层液体膜，如图1a所示。这层液体薄膜始终存在着，它亦起一定的密封作用。当滑移面向外伸出时，液体膜随之一起探出，如图1b所示。当滑移面缩回时，液体膜则被密封件阻留于外侧。随着滑移面往复次数的增加，阻留于密封件外侧的液体膜日渐增厚，最后形成液滴，从滑移面滴下（见图1c）。这就是O形密封圈用于往复运动密封时会产生泄漏的原因。O型密封圈的概述及原理20O型密封圈的概述及原理由于液压油的粘度随着温度的升高而降低，油膜厚度相应减小，所以液压设备在低温下启动时，运动开始时的泄漏较大，随着运动过程中因各种损失引起温度升高，泄漏量有逐渐降低的趋势。O形圈作为往复式密封，结构紧凑、尺寸小，可以降低元件价格。主要用在：1）低压液压元件中，一般限于短行程和10MPa左右的中等压力。2）小直径、短行程以及中等压力的液压滑阀中。3）气动滑阀和气动缸中。4）作为组合式往复动密封装置中的弹性体。O形圈作为往复动密封最适合小直径、短行程、中低压力的应用场合，气动缸、气动滑阀等往复运动元件中。在液压元件中，用O形圈作主要动密封，一般限于短行程和10MPa左右的中低压力。O形圈不适合用作速度非常低的往复动密封和单独作为高压往复动密封。这主要是因为在这种条件下摩擦较大，会导致密封过早失效。在任何型式应用中，都要根据密封件的额定数据或能力来使用，并且要装配得当，才能得到满意的性能。21O型密封圈的概述及原理O型密封圈在旋转运动密封时的应用在旋转运动密封中，通常采用油封和机械密封。但是油封的使用压力较低，而且与O形圈相比，显得过大和复杂，工艺性也差。机械密封虽然可用于高压（40MPa）、高速（50m/s）及高温（400℃），但是结构更加复杂、庞大，而且成本高，只适用于石油、化工等作用的一些重型机械设备上。O型圈用于旋转运动存在的主要问题是焦耳热效应。橡胶材料的焦耳热效应，是指处于拉伸状态的橡胶遇热产生收缩的现象。在安装O型圈时，为了使它在密封沟槽内不产生窜动，在用作往复运动密封时，不产生扭曲现象，一般使它处于某种程度的拉伸状态。但如果将这种安装方法用于旋转运动，就会产生不良的结果。本来已经紧箍在旋转轴上的O形密封圈，因旋转运动产生的摩擦热而收缩，进而使这种紧箍力增大，这样，产生摩擦热→收缩→紧箍力增大→产生摩擦热→……，如此反复循环，就大大地促进了橡胶的老化和磨损。22O型密封圈的概述及原理O型密封圈在旋转运动密封时的应用为了避免出现焦耳热效应，关键在于根据橡胶的性能来正确地选择设计O形圈的结构参数，主要是O形圈的拉伸量和压缩率。根据实验，将旋转运动用O形圈设计成内径与旋转轴直径相等或稍大些，一般大3%~5%，在安装O形圈时，从内径向里压缩，并将断面的压缩量也设计得小一些，一般约为5%。并且，尽量采用受热量影响小的密封材料，充分考虑O形圈安装处的散热问题。这样就使O形圈的工作情况大为改善，可应用于最高转速达4m/s的旋转轴的密封。近年来又出现了耐热氟橡胶和耐磨聚氨酯橡胶，并且对橡胶元件工作的焦耳热效应有了更深入的了解，并针对此问题研究解决方案，设计出了新的O形圈密封结构，使O形圈能够更好的应用与高速、高压的旋转运动。O形密封圈由于其具有体积小，结构简单、成本低、工艺性能好、适用范围广泛等特点，正广泛地在旋转运动式密封装置中推广。23O型密封圈的概述及原理理论上，压缩变形即使为零，在油压力下也能密封，但实际上O形密封圈安装时可能会有偏心，工作载荷下，O型圈拉伸，变细，就可能泄漏。所以，O形圈装入密封沟槽后，其断面一般受到7%—30%的压缩变形。低温时橡胶收缩，变细，可能泄漏（低温会造成橡胶加速老化，失去补偿能力）因此静密封取较大的压缩率值，动密封取较小的压缩率值。24O型密封圈的设计O形圈密封是典型的挤压型密封。O形圈截面直径的压缩率和拉伸是密封设计的主要内容，对密封性能和使用寿命有重要意义。O形圈一般安装在密封沟槽内起密封作用。O形密封圈良好的密封效果很大程度上取决于O形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形圈压缩量过小，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形圈工作中拉伸过度，也会加速老化而引起泄漏。世界各国的标准对此都有较严格的规定。25O型密封圈的设计1.压缩率设计：W%=(d0-h)/d0*100%式中d0——O形圈在自由状态下的截面直径（mm）h——O形圈槽底与被密封表面的距离，即O形圈压缩后的截面高度（mm）。a，有足够的密封接触面积b，避免永久变形c，摩擦力尽量小