O_形密封圈的设计、使用和故障处理

-1-一、O形密封圈的密封原理O形密封圈简称O形圈，是一种截面为圆形的橡胶圈。O形密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。O形圈有良好的密封性，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。它的适用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种运动条件的要求，工作压力可从1.333×105Pa的真空到400MPa高压；温度范围可从-60℃到200℃。与其它密封型式相比，O形密封圈具有以下特点：1）结构尺寸小，装拆方便。2）静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏。3）使用单件O形密封圈，有双向密封作用。4）动摩擦阻力较小。5）价格低廉。O形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。在用于静密封和动密封时，密封接触面接触压力产生原因和计算方法不尽相同，需分别说明。1、用于静密封时的密封原理在静密封中以O形圈应用最为广泛。如果设计、使用正确，O形密封圈在静密封中可以实现无泄漏的绝对密封。O形密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。对接触面产生一定的初始接触压力Po。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；当容腔内充入有压力的介质后，在介质压力的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭间隙δ。此时，坐用于密封副偶合面的接触压力上升为Pm：Pm=Po+Pp式中Pp——经O形圈传给接触面的接触压力（0.1MPa）Pp=K·PK——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）。从而大大增加了密封效果。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。这种靠介质本身压力来改变O形密封圈接触状态，使之实现密封的性质，称为自封作用。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。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。静密封取较大的压缩率值，动密封取较小的压缩率值。这是因为合成橡胶在低温下要压缩，所以静密封O形圈的预压缩量应考虑补偿它的低温收缩量。2、用于往复运动密封时的密封原理在液压转动、气动元件与系统中，往复动密封是一种最常见的密封要求。动力缸活塞与缸体、活塞干预缸盖以及各类滑阀上都用到往复运动密封。缝隙由圆柱杆与圆柱孔形成，杆在圆柱孔内轴向运动。密封作用限制流体的轴向泄漏。用作往复运动密封时，O形圈的预密封效果和自密封作用与静密封一样，并且由于O形圈自身的弹力，而具有磨损后自动补偿的能力。但由于液体介质密封时，由于杆运动速度、液体的压力、粘度的作用，情况比静密封复杂。当液体在压力作用下，液体分子与金属表面互相作用，油液中所含的“极性分子”在金属表面上紧密而整齐的排列，沿滑移面与密封件间形成一个强固的边界层油膜，并且对滑移面产生极大的附着力。该液体薄膜始终存在于密封件与往复运动面之间，它亦起一定的密封作用，并且对运动密封面的润滑是非常重要的。但是对泄漏来讲是有害的。但往复运动的轴向外拖出时，轴上的液体薄-2-膜便与轴一起拉出，由于密封件的“擦拭”作用，当往复运动的轴缩回时，该液体薄膜便被密封元件阻留在外面。随着往复运动行程次数增多，阻留在外面的液体就越多，最后形成油滴，这就是往复运动式密封装置的泄漏。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。3、旋转运动用密封在旋转运动密封中，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形圈用于旋转运动存在的主要问题是焦耳热效应。焦耳热效应使高速的旋转轴与O形圈的接触处产生磨擦热，生成的热量使这些接触部位的温度不断上升，橡胶材料受热严重变形，压缩量与伸长量发生变化的现象。发热还加速密封材料老化，降低了O形圈的使用寿命；破坏密封油膜，由此引起断油现象，加速密封的磨损。基于上述情况，近年来国内外旋转运动用O形圈进行了广泛深入的研究。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。二、O形密封圈的材料选择O形密封圈材料的选择对其密封性能和使用寿命有着重要意义。材料的性能直接影响O形圈的使用性能。除应具备密封圈材料的一般要求外，O形密封圈还要注意下述条件：1）富有弹性和回弹性；2）适当的机械强度，包括扩张强度、伸长率和抗撕裂强度等。3）性能稳定，在介质中不易溶胀，热收缩效应（焦耳效应）小。4）易加工成形，并能保持精密的尺寸。5）不腐蚀接触面，不污染介质等。满足上述要求的最适合而且最常用的材料是橡胶，所以O形圈大多用橡胶材料制成。橡胶的品-3-种很多，而且不断有新的橡胶品种出现，设计与选用时，应了解各种橡胶的特性，合理选择。在选择O形圈材料时，要注意考虑到以下几点因素：1）O形圈的工作状态指O形圈是用于静密封还是用于动密封，是用在往复动还是用在旋转运动中。2）机械的工作状态就是指机器是出于连续的工作状态还是处于断续的工作状态，并要考虑到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时液体还是气体，并要考虑到其物理、化学性质。4）工作压力工作压力的大小、波动幅度以及瞬时出现的最大压力等。5）工作温度包括瞬时温度和冷热交变时的温度。6）价格和来源等绝大部分的O形圈都是用各种等级和硬度（如40~90度）的腈橡胶制成的。其中，一种典型的通用材料是硬度大约为75度的低/中腈橡胶。腈橡胶具有良好的耐热性，它可以在100~120℃范围内工作。腈橡胶对矿物油和脂类有很好的耐受力，同时具有较宽的工作液体（包括水和乙二醇）适用范围。橡胶的配方不同，对介质的适用性也不同。一般来说，丁腈橡胶耐油；氯丁橡胶耐候性和耐臭氧性好；丙烯酸酯橡胶和氟橡胶耐热；聚氨酯橡胶耐高压和磨损；共聚氯醇橡胶耐低温耐油。橡胶的配方不同，成份不同,对介质的适用性也不同。例如丁腈橡胶，根据丁腈含量的不同分为高、中、低三种，含丁腈量越高，耐油性能越好。在某些应用场合，腈橡胶在性能方面有局限性或者与某些工作液之间缺乏相容性，这时可以采用其他各种材料。例如，对耐热性，耐油性有特别要求时，可用FKM（氟橡胶）：对耐磨性和耐压有特别要求时，可选用AU/EU（聚氨酯橡胶）。近来又增加了提高NBR耐热老化性的NEM，又称加氢NBR；H—NBR；可供选用。橡胶的硬度，一般机械用O形密封圈，硬度应在70~90度之间。作为静密封用的O形密封圈，通常材料硬度为邵尔硬度70度，比动密封件要硬。旋转运动用O形密封圈，一般用丁基橡胶材料效果好，硬度以HS=80为宜。在内压低、摩擦小的场合，硬度允许低于70度；而在高压下或旋转运动中，可以高于度，但很少使用。液压、气动设备用O形密封圈的材料选择考虑与温度的关系，介质为石油基液压油的O形圈，温度在-50~120℃时，用丁腈橡胶，而120~230℃范围内用硅橡胶（主要是静密封），200℃以内的动密封用氟橡胶。当被密封介质为燃料油时，则用高丁腈橡胶为宜。在透平油之类的高苯胺点油中，因为丁腈橡胶会发生收缩现象，应慎用。丁腈橡胶在乙醇系液压油中会发生膨胀现象，故不能使用，而应当用丁苯橡胶。近年来为防止火灾采用不燃性磷酸酯系液压油，这种情况下宜用氟橡胶。-4-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。1、O形圈密封的设计原则1）压缩率压缩率W通常用下式表示：W=(d0-h)/do%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）。在选取O形圈的压缩率时，应从如下三个方面考虑：要有足够的密封接触面积摩擦力尽量小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形圈误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此，在选择O形圈的压缩率时，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25%，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形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：往复运动密封一般取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形圈，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形圈，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形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