樣子很簡單,設計卻不簡單——O型密封圈及其槽的設計

O形圈密封是典型的擠壓型密封。O形圈截面直徑的壓縮率和拉伸是密封設計的主要內容,對密封性能和使用壽命有重要意義。O形圈一般安裝在密封溝槽內起密封作用。O形密封圈良好的密封效果很大程度上取決於O形圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配,形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。密封裝置設計加工時,若使O形圈壓縮量過小,就會引起泄漏;壓縮量過大則會導致O形密封圈橡膠應力鬆弛而引起泄漏。同樣,O形圈工作中拉伸過度,也會加速老化而引起泄漏。世界各國的標準對此都有較嚴格的規定。

1、O形圈密封的設計原則

1)壓縮率

壓縮率W通常用下式表示:

W= (do-h)/do%

式中 do——O形圈在自由狀態下的截面直徑(mm)

h ——O形圈槽底與被密封表面的距離,即O形圈壓縮后的截面高度(mm)。

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在選取O形圈的壓縮率時,應從如下三個方面考慮:

a.要有足夠的密封接觸面積

b.摩擦力盡量小

c.盡量避免永久變形。

從以上這些因素不難發現,它們相互之間存在著矛盾。壓縮率大就可獲得大的接觸壓力,但是過大的壓縮率無疑會增大滑動摩擦力和永久變形。而壓縮率過小則可能由於密封溝槽的同軸度誤差和O形圈誤差不符合要求,消失部分壓縮量而引起泄漏。因此,在選擇O形圈的壓縮率時,要權衡個方面的因素。一般靜密封壓縮率大於動密封,但其極值應小於30%(和橡膠材料有關),否則壓縮應力明顯鬆弛,將產生過大的永久變形,在高溫工況中尤為嚴重。

O 形圈密封壓縮率W的選擇應考慮使用條件,靜密封或動密封;靜密封又可分為徑向密封與軸向密封;徑向密封(或稱圓柱靜密封)的泄漏間隙是徑向間隙,軸向密封(或稱平面靜密封)的泄漏間隙是軸向間隙。軸向密封根據壓力介質作用於O形圈的內徑還是外徑又分受內壓和外壓兩種情況,內壓增加的拉伸,外壓降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的靜密封,密封介質對O形圈的作用力方向是不同的,所以預壓力設計也不同。對於動密封則要區分是往複運動還是旋轉運動密封。

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1.靜密封:圓柱靜密封裝置和往複運動式密封裝置一樣,一般取W=10%~15%;平面密封裝置取W=15%~30%。

2.對於動密封而言,可以分為三種情況:

a.往複運動密封一般取W=10%~15%。

b.旋轉運動密封在選取壓縮率時必須要考慮焦耳熱效應,一般來說,旋轉運動用O形圈的內徑要比軸徑大3%~5%,外徑的壓縮率W=3%~8%。

c.低摩擦運動用O形圈,為了減小摩擦阻力,一般均選取較小的壓縮率,即 W=5%~8%。此外,還要考慮到介質和溫度引起的橡膠材料膨脹。通常在給定的壓縮變形之外,允許的最大膨脹率為15%,超過這一範圍說明材料選用不合適,應改用其他材料的O形圈,或對給定的壓縮變形率予以修正。壓縮變形的具體數值,一般情況下,各國都根據自己的使用經驗制訂出標準或給出推薦值。

2)拉伸量

O形圈在裝入密封溝槽后,一般都有一定的拉伸量。與壓縮率不一樣,拉伸量的大小對O形圈的密封性能和使用壽命也有很大的影響。拉伸量大不但會導致O形圈安裝困難,同時也會因截面直徑do發生變化而使壓縮率降低,以致引起泄漏。拉伸量α可用下式表示:

α=(d+do)/(d1+do)

式中

d——軸徑(mm);

d1——O形圈的內徑(mm);

do——O形圈的截面直徑(mm)。

3)接觸寬度

O形圈裝入密封溝槽后,其橫截面產生壓縮變形。變形后的寬度及其與軸的接觸寬度都和O形圈的密封性能和使用壽命有關,其值過小會使密封性受到影響;過大則增加摩擦,產生摩擦熱,影響O形圈的壽命。

O形圈變形后的寬度BO(mm)與O形圈的壓縮率W和截面直徑dO有關,可用下式計算

BO={1/(1-W)-0.6W}dO (W取10%~40%)

O形圈與軸的接觸面寬度b(mm)也取決於W和dO:

b=( 4W2+0.34W+0.31)dO ( W取10%~40%)

對摩擦力限制較高的O形圈密封,如氣動密封、液壓伺服控制元件密封,可據此估算摩擦力。

2、O形圈的設計

絕大多數的O形圈是用合成橡膠材料製成的。合成橡膠O形圈的尺寸由國際標準(ISO3601/1)國家標準和組織標準等確定。如有些國家將O形圈的尺寸系列分為P系列(運動用)、G系列(固定用)、V系列(真空用)和ISO系列(一般工業用)四個系列組成。

我國的O形圈內徑、截面直徑尺寸及公差由GB/T34542.1—1992規定。

密封裝置的密封可靠性主要取決於O形圈的壓縮量。在一般的情況下,這種壓縮量都是很小的,只有十幾微米到幾十微米,這就要求O形圈的尺寸公差具有很高的精度。因此,O形圈需要採用高精度的模具進行加工,同時必須準確地掌握作為設計依據的O形圈材質的收縮率。一般只能通過實測,來獲得O形圈的收縮率。值得注意的是:

1)O形圈截面收縮率很小,一般不予考慮。只有在其截面直徑大於8mm的情況下,才予以考慮。

2)在配方和工藝條件一定的情況下,O形圈的收縮率會隨著材質硬度的提高而減小,也會隨著其內徑的減小而提高。具有中等硬度(HS75±5),以及中等大小(內徑d=40~70mm)的O形圈,其內徑的收縮率大約為1.5%。

一般,在靜密封場合,可選擇截面較小的密封圈;在動密封場合,應選擇截面較大的密封圈。通常,壓力較高和間隙較大時,應選擇較高硬度的材料;也可以選擇一般硬度的材料,再安裝一個聚四氟乙烯擋圈

3、O形密封圈密封溝槽設計

O形密封圈的壓縮量與拉伸量是由密封溝槽的尺寸來保證的,O形密封圈選定后,其壓縮量、拉伸量及其工作狀態由溝槽決定,所以,溝槽設計與選擇對密封裝置的密封性和使用壽命的影響很大,溝槽設計是O形圈密封設計的主要內容。

密封溝槽設計包括確定溝槽的形狀、尺寸、精度和表面粗糙等,對動密封,還有確定相對運動間隙。溝槽設計原則是:加工容易,尺寸合理,精度容易保證,O形圈裝拆較為方便。常見的槽形為矩形槽。

1)溝槽形狀

矩形溝槽是液壓氣動用O形密封圈使用最多的溝槽形狀。這種溝槽的優點是加工容易,便於保證O形密封圈具有必要的壓縮量。除矩形溝槽外,還有V形、半圓形、燕尾形和三角形等型式的溝槽。

三角形溝槽截面形狀是以M為直角邊的等邊直角三角形。截面積大約為O形圈截面面積的1.05~1.10倍。三角形溝槽式密封裝置在英國、美國、日本等國家均有應用。設計的原則是O形密封圈內徑的公稱尺寸相等。

密封溝槽即可開在軸上,也可開在孔上;軸向密封則溝槽開在平面上。

2)槽寬的設計

密封溝槽的尺寸參數取決於O形密封圈的尺寸參數。

溝槽尺寸可按體積計算,通常要求矩形溝槽的尺寸比O形圈的體積大15%左右。這是因為:

a.O形圈裝入溝槽后,承受3%~30%的壓縮,而橡膠材料本身是不可壓縮的,所以應有容納O形圈變形部分的空間。

b.處於油液中的O形圈,除了存在由於油液的浸泡而可能引起的橡膠材料的膨脹外,還有可能存在隨著液體工作溫度的增高,而引起橡膠材料的膨脹現象。所以溝槽必須留有一定的余量。

c.在運動狀態下,能適應O形圈可能產生的輕微的滾動現象。一般認為,裝配后的O形密封圈與槽壁之間留有適當的間隙是必要的。但是這個間隙不能過大,否則在交變壓力的作用下就會變成有害的「游隙」,而增加O形圈的磨損。

槽不宜太窄,如果O形圈截面填滿了槽的截面,那麼運動時的摩擦阻力將會特別大,O形圈無法滾動,同時引起嚴重的磨損。槽也不宜過寬,因為槽過寬時O形圈的遊動範圍很大,也容易磨損。特別是靜密封時,如果工作壓力是脈動的,那麼靜密封就不會靜,它將在不適宜的寬槽內以同樣的脈動頻率遊動,出現異常磨損,使O形圈很快失效。

O形圈的截面面積至少應占矩形槽截面面積的85%,槽寬必須大於O形圈壓縮變形后的最大直徑。在許多場合下保證取槽寬為O形圈截面直徑的1.1~1.5倍。當內壓很高時,就必須使用擋圈,這時槽寬也應相應加大。

工作方式不同,徑向密封或軸向密封,動密封或靜密封,液壓密封或氣動密封,密封溝槽尺寸不同。我國O形圈密封圈與密封溝槽尺寸系列根據國家標準GB/T3452.3—1988),也可根據對根據對密封圈壓縮量與拉伸量的要求計算設計溝槽尺寸。

3)槽深的設計

溝槽的深度主要取決於O形密封圈所要求的壓縮率,溝槽的深度加上間隙,至少必須小於自由狀態下的O形圈截面直徑,以保證密封所需的O形圈壓縮的變形量。

O形圈壓縮變形量由O形圈內徑處的壓縮變形量δ』 和外徑處的壓縮變形量δ』』 組成,即 δ=δ』+δ』』。當δ』=δ』』時,O形圈的截面中心與槽的截面中心重合,兩中心圓的圓周相等,說明O形圈安裝時未受到拉伸。如果δ』>δ』』,則O形圈截面中心圓的周長小於槽中心圓的周長,說明O形圈以拉伸狀態裝在槽內;若δ』<δ』』,則O形圈截面中心圓的周長大於槽的截面中心圓周長,此時,O形圈受周向壓縮,拆卸時,O形圈會出現彈跳現象。

設計槽深時,應首先確定O形圈的使用方式,然後再去選定合理的壓縮變形率。

4)槽口及槽底圓角的設計

溝槽的外邊口處的圓角是為了防止O形圈裝配時刮傷而設計的。它一般採用較小的圓角半徑,即r=0.1~0.2mm。這樣可以避免該處形成鋒利的刃口,O形圈也不敢發生間隙擠出,並能使擋圈安放穩定。

溝槽槽底的圓角主要是為了避免該處產生應力集中設計的。圓角半徑的取值,動密封溝槽可取R=0.3~1mm,靜密封溝槽可取其O形圈截面直徑的一半,即R=d/2。

5)間隙

往複運動的活塞與缸壁之間必須有間隙,其大小與介質工作壓力和O形圈材料的硬度有關。間隙太小,製造、加工困難;間隙太大,O形圈會被擠入間隙而損壞。一般內壓越大,間隙越小;O形圈材料硬度越大,間隙可放大。當間隙值在曲線的左下方時,將不發生間隙咬傷即「擠出」現象。

間隙的給定數值與零件的製造精度有很大關係。

6)槽壁粗糙度

密封溝槽的表面粗糙度,直接影響著O形圈的密封性和溝槽的工藝性。靜密封用O形圈工作過程中不運動,所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm,對於往複運動用O形圈,因常在槽內滾動,槽壁與槽底的粗糙程度應到低一些,要求在Ra=1.60μm以下。旋轉運動用的O形圈一般在溝槽內是靜止的,要求軸的粗糙度Ra=0.40μm或者拋光。

4、擋圈

著壓力的增加,O形圈與擋圈互相擠壓。由於它們是彈性體,兩者同時發生變形,此變形首先向它們的上下兩角擴展,直到壓力超過10.5MPa。這種變形一直在兩者之間進行,而不致使擋圈發生「擠出」現象。根據擋圈材料和結構形式的不同,其承壓能力提高的程度也不同。當壓力足夠大時,擋圈也會產生「擠出」現象。

O形圈使用擋圈后,工作壓力可以大大提高。靜密封壓力能提高到200~700MPa;動密封壓力也能提高到40MPa。擋圈還有助於O形圈保持良好的潤滑。如果單向受壓,則在承受側用一個擋圈;如果雙向受壓則用兩個擋圈。對於靜密封,內壓在32MPa以下不用擋圈,超過此值用擋圈。使用擋圈后雖可防止O形圈發生「間隙咬傷」現象,但會增加密封裝置的摩擦阻力。

擋圈的材料有皮革、硬橡膠和聚四氟乙烯等,也有尼龍6和尼龍1010的。而以聚四氟乙烯擋圈最為常用。聚四氟乙烯作為擋圈材料有下列有點。

1)工作精度高。

2)耐化學品性能優異,可用於幾乎所有的介質。

3)無硬化破損現象。

4)使用溫度範圍寬。

5)摩擦力小。

6)無吸水性。

7)在177℃溫度下不發生老化等。

附錄:O 型橡膠密封圈形式、尺寸及公差 GB/T3452.1-2005 ISO 3601-1:2002——摘自《機械設計手冊》第五版

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