O型圈密封结构设计要点

O型圈密封结构设计1LiQiang2011-01-07JohnsonControls|January20092O型圈密封结构设计1、O型圈概述2、O型圈密封原理和要求3、O型圈材料特性及选择4、O型圈密封的设计原则5、O型圈密封沟槽设计6、O型圈的性能7、O型圈失效8、O型圈的变形发展9、O型圈生产制造10、问题JohnsonControls|January200931.0O型圈概述O型圈是一种界面形状为圆形的橡胶圈，是液压气动中应用最广泛的密封件JohnsonControls|January200941.1O型圈特点特点：1尺寸小装拆方便2动静密封均可用3静密封几乎没有泄漏4单件使用双向密封5动摩擦力小6价格低JohnsonControls|January200952.1O型圈密封原理O型圈密封是一种挤压型密封。当密封件产生初始形变和应力Pseal，PwPseal时，将不会泄漏。Pm=P0+Pp，Pp=K×P。Pm=P0+K×PK为介质压力传递给O型圈压力的系数（对橡胶，K=1；对无缝钢管？复合密封圈？）因此，只要O型圈存在初始压力，就可实现无泄漏的绝对密封。O型圈密封是一种自密封结构。JohnsonControls|January200962.2O型圈密封压缩变形率选择理论上0压缩也可实现密封，实际是不可能的。偏心工作载荷下，O型圈拉伸，变细，就可能泄漏低温橡胶收缩，变细，可能泄漏（低温会造成橡胶加速老化，失去补偿能力）一般断面有7%-30%的压缩变形率，静密封取大的压缩率（15%-30%），动密封取小的压缩率（9-25%）偏心JohnsonControls|January200972.3O型圈受内压、外压选择受内压O型圈外径与沟槽外径相同受外压O型圈内径与沟槽内径相同防止出现在工作压力下出现O型圈直径变小。将O形圈安装在沟槽内时，要受到拉伸或压缩。若拉伸和压缩的数值过大，将导致O形圈截面过度增大或减小，因为拉伸1%相应地使截面直径W减小约0.5%。对于孔用（内压）密封，O形圈最好处于拉伸状态，最大允许拉伸量为6%；对于轴用（内压）密封，O形圈最好延其周长方向受压缩，最大允许周长压缩量为3%。受内压受外压JohnsonControls|January200982.4O型圈挤出原理JohnsonControls|January200992.4O型圈允许挤出间隙最大允许挤出间隙gmax和系统压力，O形圈截面直径以及材料硬度有关。通常，工作压力越高，最大允许挤出间隙gmax取值越小。如果间隙g超过允许范围，就会导致O形圈挤出甚至损坏,当压力超过5MPa时，建议使用挡圈材料硬度压力MPaO形圈截面直径W1.782.623.535.337.00邵氏硬度A70≤3.500.080.090.100.130.15≤7.000.050.070.080.090.10≤10.500.030.040.050.070.08邵氏硬度A80≤3.500.100.130.150.180.20≤7.000.080.090.100.130.15≤10.500.050.070.080.090.10≤14.000.030.040.050.070.08≤17.500.020.020.030.030.04邵氏硬度A90≤3.500.130.150.200.230.25≤7.000.100.130.150.180.20≤10.500.070.090.100.130.15≤14.000.050.070.080.090.10≤17.500.040.050.070.080.09≤21.000.030.040.050.070.08≤35.000.020.030.030.040.04JohnsonControls|January2009102.4O型圈允许挤出间隙JohnsonControls|January2009112.5O型圈压缩量选择液压-气动-静密封液压-动密封气动-动密封和材料有关的O形圈圆周方向的压缩力JohnsonControls|January2009123.0O型圈材料特性JohnsonControls|January2009133.1O型圈材料特性比较图JohnsonControls|January2009143.2O型圈材料特性排序JohnsonControls|January2009153.3O型圈材料硬度JohnsonControls|January2009163.4O型圈材料特性JohnsonControls|January2009173.5O型圈材料耐化学性JohnsonControls|January2009183.6O型圈材料耐温性JohnsonControls|January2009193.7O型圈材料选择原则外界因素：1，工作状态：动密封，静密封；连续工作，间断工作等2，工作介质：液体、气体还是两相流，及介质的物理化学性能，与介质相容性3，工作压力：介质工作压力高低，压力波幅，瞬时最大压力4，工作温度：瞬时温度和冷热交变温度5，成本来源：成本低，来源广O型圈的硬度硬度：一般为70-90邵氏硬度，静密封选低值70，旋转密封取高值80，极少采用90。JohnsonControls|January2009204.0O型圈设计原则通则：O型圈密封是挤压式密封，设计主要内容为O型圈的压缩和拉伸。O型圈直径压缩和拉伸。a，压缩量过小：泄漏b，压缩量过大：应力松弛引起泄漏c，拉伸量过大：界面直径减少太大而引起泄漏4.0压缩率设计：W%=(d0-h)/d0。a，有足够的密封接触面积b，避免永久变形c，摩擦力尽量小圆柱静密封：10%-15%，平面静密封：15%-30%。往复运动密封：10%-15%。旋转动密封：内径比轴大3%-5%，外径压缩率为3%-8%。低摩擦用密封：一般为5%-8%，考虑介质和温度引起的膨胀，如超过15%，重新选材。JohnsonControls|January2009214.1O型圈设计原则4.1拉伸率设计：W%=(d0+d)/(d0+d1)。O型圈装入轴中后，一般会有拉伸，如果无拉伸，装配时容易脱出，如拉伸过大，会导致O型圈截面积减少太多，出现泄漏。一般其拉伸量为1%-5%。JohnsonControls|January2009224.2O型圈设计原则4.2接触宽度设计：O形圈装入密封沟槽后，其横截面产生压缩变形。变形后的宽度及其与密封面的接触宽度都和O形圈的密封性能，其值过小会使密封性受到影响。O形圈变形后的宽度Bo（mm）与O形圈的压缩率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形圈与密封面的接触面宽度b（mm）也取决于W和do：b=(4W^2+0.34W+0.31)do(W取10%~40%)一般情况，考虑到压力脉动和抽真空的需求，Bo应接近于槽宽，对于气体介质的密封，Bo应比槽宽小0.1-0.2mm；对于液体介质的密封，Bo应比槽宽小0.2-0.5mm。同时Bo不应大于槽宽，否则承压后可能会减小密封接触宽度，同时减小密封接触应力而导致泄漏。有压力脉动时，槽宽过大会导致O型圈来回偏移，出现磨损；槽宽过小会导致O型圈填满沟槽，导致阻力过大。bBoJohnsonControls|January2009235.0O型圈沟槽设计5.0O型圈沟槽设计：槽体积比O型圈体积大15%左右。设计参数：形状，尺寸，精度，粗糙度，对于动密封，需要计算相对运动间隙。原则：容易加工，尺寸合理，精度容易保证，拆装方便。a，有压缩3%-30%的压缩。b，在介质中膨胀，温升膨胀。c，太窄磨损，太宽滚动磨损。JohnsonControls|January2009245.1O型圈沟槽设计5.2O型圈沟槽深度设计：槽深的设计决定O型圈的设计压缩量，沟槽深度加上间隙小于O型圈自由状态下O型圈的线径。O型圈的压缩量由内径压缩量δ’和外径压缩量δ”构成。δ’δ”,O型圈安装时受压缩；拆卸时O型圈有弹跳；常用于旋转密封。δ’=δ”,O型圈安装时未受压缩；最为常用。δ’δ”,O型圈安装时受拉伸；用于滑动密封，如活塞密封。5.3O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计：槽口圆角：防止O型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.1～0.2mm过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤）槽底圆角：防止出现应力集中，动：R=0.1～1.0mm，静:R=d0/2mm，JohnsonControls|January2009255.3O型圈沟槽设计5.4O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计：槽口圆角：防止O型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.1～0.2mm过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤）槽底圆角：防止出现应力集中，动：R=0.1～1.0mm，静:R=d0/2mm，5.5O型圈沟槽表面粗糙度设计：静密封：Ra=6.3～3.2，动密封：Ra=1.6，旋转密封：轴凹槽：Ra=0.4或更小。A，采用什么样的工艺来加工沟槽比较好。B，沟槽的粗糙度过大或过小会出现什么问题。JohnsonControls|January2009265.4O型圈沟槽设计5.6O型圈挡圈设计：目的：防止O型圈在工作时出现间隙咬伤和挤出实效。使用：单向受压，一个挡圈；双向受压，两个挡圈。JohnsonControls|January2009275.5O型圈沟槽设计5.7O型圈沟槽型式和公差：详见GB/T34523JohnsonControls|January2009285.6O型圈沟槽设计5.8O型圈密封常见型式：轴向密封径向密封接头密封闷塞密封JohnsonControls|January2009296.0O型圈性能抗磨损JohnsonControls|January2009306.1O型圈性能密封性能JohnsonControls|January2009316.2O型圈密封要求稳定性JohnsonControls|January2009326.3O型圈性能抗挤出性JohnsonControls|January2009336.4O型圈性能贴合性JohnsonControls|January2009347.0O型圈失效7.0O型圈失效：O型圈常见的失效原因有材料问题、压缩变形、间隙咬伤、扭曲现象、磨料磨损、表面粗糙度不当和焦耳效应等。压缩变形，如右图所示：JohnsonControls|January2009357.1O型圈失效7.1O型圈失效：O型圈磨损，如右图所示：JohnsonControls|January2009367.2O型圈失效7.2O型圈失效：O型圈安装损坏，如右图所示：JohnsonControls|January2009377.3O型圈失效7.3O型圈失效：O型圈爆破失效，如右图所示：JohnsonControls|January2009387.4O型圈失效7.4O型圈失效：O型圈热损伤和氧化，如右图所示：JohnsonControls|January2009397.5O型圈失效7.5O型圈失效：O型圈扭曲滚转损坏，如右图所示：JohnsonControls|January2009407.6O型圈失效7.6O型圈失效：O型圈挤出失效如右图所示：JohnsonControls|January2009417.7O型圈失效7.7O型圈失效：O型圈膨胀失效如右图所示：JohnsonControls|January2009427.8O型圈失效7.8O型圈失效：O型圈老化/氧化失效如右图所示：JohnsonControls|January2009437.9O型圈失效7.9O型圈失效：O型圈非典型失效如右图所示：JohnsonControls|January2009448.0其他型式的密封圈O型圈的常见的变形型式JohnsonControls|January2009459.0非标O型圈制造1，非标O型圈计算和制造2，标准大批量O型圈如何生产？飞边如何去除？JohnsonControls|January20094610Question？