O型圈密封結構設計 1 LiQiang2011 01 07 2 O型圈密封結構設計 1 O型圈概述2 O型圈密封原理和要求3 O型圈材料特性及選擇4 O型圈密封的設計原則5 O型圈密封溝槽設計6 O型圈的性能7 O型圈失效8 O型圈的變形發展9 O型圈生產制造10 問題 3 1 0O型圈概述 O型圈是一種界面形狀為圓形的橡膠圈 是液壓氣動中應用最廣泛的密封件 4 1 1O型圈特點 特點 1尺寸小裝拆方便2動靜密封均可用3靜密封幾乎沒有泄漏4單件使用雙向密封5動摩擦力小6價格低 5 2 1O型圈密封原理 O型圈密封是一種擠壓型密封 當密封件產生初始形變和應力Pseal Pw Pseal時 將不會泄漏 Pm P0 Pp Pp K P Pm P0 K PK為介質壓力傳遞給O型圈壓力的系數 對橡膠 K 1 對無縫鋼管 復合密封圈 因此 只要O型圈存在初始壓力 就可實現無泄漏的絕對密封 O型圈密封是一種自密封結構 6 2 2O型圈密封壓縮變形率選擇 理論上0壓縮也可實現密封 實際是不可能的 偏心工作載荷下 O型圈拉伸 變細 就可能泄漏低溫橡膠收縮 變細 可能泄漏 低溫會造成橡膠加速老化 失去補償能力 一般斷面有7 30 的壓縮變形率 靜密封取大的壓縮率 15 30 動密封取小的壓縮率 9 25 偏心 7 2 3O型圈受內壓 外壓選擇 受內壓O型圈外徑與溝槽外徑相同受外壓O型圈內徑與溝槽內徑相同防止出現在工作壓力下出現O型圈直徑變小 將O形圈安裝在溝槽內時 要受到拉伸或壓縮 若拉伸和壓縮的數值過大 將導致O形圈截面過度增大或減小 因為拉伸1 相應地使截面直徑W減小約0 5 對于孔用 內壓 密封 O形圈最好處于拉伸狀態 最大允許拉伸量為6 對于軸用 內壓 密封 O形圈最好延其周長方向受壓縮 最大允許周長壓縮量為3 受內壓 受外壓 8 2 4O型圈擠出原理 9 2 4O型圈允許擠出間隙 最大允許擠出間隙gmax和系統壓力 O形圈截面直徑以及材料硬度有關 通常 工作壓力越高 最大允許擠出間隙gmax取值越小 如果間隙g超過允許范圍 就會導致O形圈擠出甚至損壞 當壓力超過5MPa時 建議使用擋圈 10 2 4O型圈允許擠出間隙 11 2 5O型圈壓縮量選擇 液壓 氣動 靜密封 液壓 動密封 氣動 動密封 和材料有關的O形圈圓周方向的壓縮力 12 3 0O型圈材料特性 13 3 1O型圈材料特性比較圖 14 3 2O型圈材料特性排序 15 3 3O型圈材料硬度 16 3 4O型圈材料特性 17 3 5O型圈材料耐化學性 18 3 6O型圈材料耐溫性 19 3 7O型圈材料選擇原則 外界因素 1 工作狀態 動密封 靜密封 連續工作 間斷工作等2 工作介質 液體 氣體還是兩相流 及介質的物理化學性能 與介質相容性3 工作壓力 介質工作壓力高低 壓力波幅 瞬時最大壓力4 工作溫度 瞬時溫度和冷熱交變溫度5 成本來源 成本低 來源廣 O型圈的硬度硬度 一般為70 90邵氏硬度 靜密封選低值70 旋轉密封取高值80 極少采用90 20 4 0O型圈設計原則 通則 O型圈密封是擠壓式密封 設計主要內容為O型圈的壓縮和拉伸 O型圈直徑壓縮和拉伸 a 壓縮量過小 泄漏b 壓縮量過大 應力松弛引起泄漏c 拉伸量過大 界面直徑減少太大而引起泄漏 4 0壓縮率設計 W d0 h d0 a 有足夠的密封接觸面積b 避免永久變形c 摩擦力盡量小圓柱靜密封 10 15 平面靜密封 15 30 往復運動密封 10 15 旋轉動密封 內徑比軸大3 5 外徑壓縮率為3 8 低摩擦用密封 一般為5 8 考慮介質和溫度引起的膨脹 如超過15 重新選材 21 4 1O型圈設計原則 4 1拉伸率設計 W d0 d d0 d1 O型圈裝入軸中后 一般會有拉伸 如果無拉伸 裝配時容易脫出 如拉伸過大 會導致O型圈截面積減少太多 出現泄漏 一般其拉伸量為1 5 22 4 2O型圈設計原則 4 2接觸寬度設計 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密封面的接觸寬度都和O形圈的密封性能 其值過小會使密封性受到影響 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形圈與密封面的接觸面寬度b mm 也取決于W和do b 4W 2 0 34W 0 31 do W取10 40 一般情況 考慮到壓力脈動和抽真空的需求 Bo應接近于槽寬 對于氣體介質的密封 Bo應比槽寬小0 1 0 2mm 對于液體介質的密封 Bo應比槽寬小0 2 0 5mm 同時Bo不應大于槽寬 否則承壓后可能會減小密封接觸寬度 同時減小密封接觸應力而導致泄漏 有壓力脈動時 槽寬過大會導致O型圈來回偏移 出現磨損 槽寬過小會導致O型圈填滿溝槽 導致阻力過大 23 5 0O型圈溝槽設計 5 0O型圈溝槽設計 槽體積比O型圈體積大15 左右 設計參數 形狀 尺寸 精度 粗糙度 對于動密封 需要計算相對運動間隙 原則 容易加工 尺寸合理 精度容易保證 拆裝方便 a 有壓縮3 30 的壓縮 b 在介質中膨脹 溫升膨脹 c 太窄磨損 太寬滾動磨損 24 5 1O型圈溝槽設計 5 2O型圈溝槽深度設計 槽深的設計決定O型圈的設計壓縮量 溝槽深度加上間隙小于O型圈自由狀態下O型圈的線徑 O型圈的壓縮量由內徑壓縮量 和外徑壓縮量 構成 O型圈安裝時受拉伸 用于滑動密封 如活塞密封 5 3O型圈溝槽槽口和槽底圓角設計 槽口圓角 防止O型圈裝配時出現割傷和刮傷 R 0 1 0 2mm過大 過小會出現什么情況 擠出和割傷 槽底圓角 防止出現應力集中 動 R 0 1 1 0mm 靜 R d0 2mm 25 5 3O型圈溝槽設計 5 4O型圈溝槽槽口和槽底圓角設計 槽口圓角 防止O型圈裝配時出現割傷和刮傷 R 0 1 0 2mm過大 過小會出現什么情況 擠出和割傷 槽底圓角 防止出現應力集中 動 R 0 1 1 0mm 靜 R d0 2mm 5 5O型圈溝槽表面粗糙度設計 靜密封 Ra 6 3 3 2 動密封 Ra 1 6 旋轉密封 軸凹槽 Ra 0 4或更小 A 采用什么樣的工藝來加工溝槽比較好 B 溝槽的粗糙度過大或過小會出現什么問題 26 5 4O型圈溝槽設計 5 6O型圈擋圈設計 目的 防止O型圈在工作時出現間隙咬傷和擠出實效 使用 單向受壓 一個擋圈 雙向受壓 兩個擋圈 27 5 5O型圈溝槽設計 5 7O型圈溝槽型式和公差 詳見GB T34523 28 5 6O型圈溝槽設計 5 8O型圈密封常見型式 軸向密封 徑向密封 接頭密封 悶塞密封 29 6 0O型圈性能 抗磨損 30 6 1O型圈性能 密封性能 31 6 2O型圈密封要求 穩定性 32 6 3O型圈性能 抗擠出性 33 6 4O型圈性能 貼合性 34 7 0O型圈失效 7 0O型圈失效 O型圈常見的失效原因有材料問題 壓縮變形 間隙咬傷 扭曲現象 磨料磨損 表面粗糙度不當和焦耳效應等 壓縮變形 如右圖所示 35 7 1O型圈失效 7 1O型圈失效 O型圈磨損 如右圖所示 36 7 2O型圈失效 7 2O型圈失效 O型圈安裝損壞 如右圖所示 37 7 3O型圈失效 7 3O型圈失效 O型圈爆破失效 如右圖所示 38 7 4O型圈失效 7 4O型圈失效 O型圈熱損傷和氧化 如右圖所示 39 7 5O型圈失效 7 5O型圈失效 O型圈扭曲滾轉損壞 如右圖所示 40 7 6O型圈失效 7 6O型圈失效 O型圈擠出失效如右圖所示 41 7 7O型圈失效 7 7O型圈失效 O型圈膨脹失效