O型圈密封結構設計

1、O型圈密封結構設計型圈密封結構設計1Li Qiang2011-01-07Johnson Controls | January 20092O型圈密封結構設計型圈密封結構設計1 1、O O型圈概述型圈概述2 2、O O型圈密封原理和要求型圈密封原理和要求3 3、O O型圈材料特性及選擇型圈材料特性及選擇4 4、O O型圈密封的設計原則型圈密封的設計原則5 5、O O型圈密封溝槽設計型圈密封溝槽設計6 6、O O型圈的性能型圈的性能7 7、O O型圈失效型圈失效8 8、O O型圈的變形發(fā)展型圈的變形發(fā)展9 9、O O型圈生產制造型圈生產制造1010、問題、問題Johnson Controls | J

2、anuary 200931.0 O型圈概述型圈概述O O型圈是一種界面形狀為圓形的型圈是一種界面形狀為圓形的橡膠橡膠圈，是液壓氣動中應用最廣泛的密封件圈，是液壓氣動中應用最廣泛的密封件Johnson Controls | January 200941.1 O型圈特點型圈特點特點：特點：1 1尺寸小裝拆方便尺寸小裝拆方便2 2動靜密封均可用動靜密封均可用3 3靜密封幾乎沒有泄漏靜密封幾乎沒有泄漏4 4單件使用雙向密封單件使用雙向密封5 5動摩擦力小動摩擦力小6 6價格低價格低Johnson Controls | January 200952.1 O2.1 O型圈密封原理型圈密封原理 O O型圈密

3、封是一種擠壓型密封。當密封件產生初始形變和應力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P Psealseal，P Pw wPPsealseal時，將不會泄漏。時，將不會泄漏。 P Pm m=P=P0 0+P+Pp p，P Pp p=K=KP P。 P Pm m=P=P0 0+K+KP P K K為介質壓力傳遞給為介質壓力傳遞給O O型圈壓力的系數(shù)（對橡膠，型圈壓力的系數(shù)（對橡膠，K=1K=1；對無縫鋼管？復合密封圈？）；對無縫鋼管？復合密封圈？） 因此，只要因此，只要O O型圈存在初始壓力，就可實現(xiàn)無泄漏的絕對密封。型圈存在初始壓力，就可實現(xiàn)無泄漏的絕對密封。 O O型圈密封是一種

4、自密封結構。型圈密封是一種自密封結構。Johnson Controls | January 200962.22.2 O O型圈密封壓縮變形率選擇型圈密封壓縮變形率選擇 理論上理論上0 0壓縮也可實現(xiàn)密封，實際是不可能的。壓縮也可實現(xiàn)密封，實際是不可能的。 偏心偏心 工作載荷下，工作載荷下，O O型圈拉伸，變細，就可能泄漏型圈拉伸，變細，就可能泄漏 低溫低溫 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）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）一般斷面有一般斷面有7%-30%7%-30%的壓縮變形率，靜密封取大的壓縮率（的壓縮變形率，靜密封取大的壓縮率（

5、15%-30%15%-30%），動密封取小的壓縮率（），動密封取小的壓縮率（9-25%9-25%）偏心偏心Johnson Controls | January 200972.32.3 O O型圈受內壓、外壓選擇型圈受內壓、外壓選擇 受內壓受內壓 O O型圈外徑與溝槽外徑相同型圈外徑與溝槽外徑相同 受外壓受外壓 O O型圈內徑與溝槽內徑相同型圈內徑與溝槽內徑相同 防止出現(xiàn)在工作壓力下出現(xiàn)防止出現(xiàn)在工作壓力下出現(xiàn)O O型圈直徑變小。型圈直徑變小。將將 O 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(shù)值過大，將導致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(shù)值過大，將導致O

6、O形圈截面過度增大或形圈截面過度增大或減小，因為拉伸減小，因為拉伸1%1%相應地使截面直徑相應地使截面直徑W W 減小約減小約0.5%0.5%。對于孔用（內壓）密封，。對于孔用（內壓）密封，O O形圈最好處于拉伸狀態(tài)，形圈最好處于拉伸狀態(tài)，最大允許拉伸量為最大允許拉伸量為6%6%；對于軸用（內壓）密封，；對于軸用（內壓）密封，O O 形圈最好延其周長方向受壓縮，最大允許周長壓縮量為形圈最好延其周長方向受壓縮，最大允許周長壓縮量為3%3%。受內壓受內壓受外壓受外壓Johnson Controls | January 200982.42.4 O O型圈擠出原理型圈擠出原理Johnson Contr

7、ols | January 200992.4 O2.4 O型圈允許擠出間隙型圈允許擠出間隙 最大允許擠出間隙最大允許擠出間隙gmax gmax 和系統(tǒng)和系統(tǒng)壓力，壓力，O O 形圈截面直徑以及材料硬形圈截面直徑以及材料硬度有關。通常，工作壓力越高，最度有關。通常，工作壓力越高，最大允許擠出間隙大允許擠出間隙gmax gmax 取值越小。如取值越小。如果間隙果間隙g g 超過允許范圍，就會導致超過允許范圍，就會導致O O 形圈擠出甚至損壞形圈擠出甚至損壞, ,當壓力超過當壓力超過5MPa5MPa時，建議使用擋圈時，建議使用擋圈 材料硬度壓力MPa O形圈截面直徑W 1.78 2.62 3.53

8、5.33 7.00 邵氏硬度A70 3.50 0.08 0.09 0.10 0.13 0.15 7.00 0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 10.50 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 邵氏硬度A80 3.50 0.10 0.13 0.15 0.18 0.20 7.00 0.08 0.09 0.10 0.13 0.15 10.50 0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 14.00 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 17.50 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 邵氏硬度A90 3.50 0.13 0.15 0.20 0.

9、23 0.25 7.00 0.10 0.13 0.15 0.18 0.20 10.50 0.07 0.09 0.10 0.13 0.15 14.00 0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 17.50 0.04 0.05 0.07 0.08 0.09 21.00 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 35.00 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 Johnson Controls | January 2009102.42.4 O O型圈允許擠出間隙型圈允許擠出間隙Johnson Controls | January 2009112.52.5 O O型圈壓縮量

10、選擇型圈壓縮量選擇液壓液壓- -氣動氣動- -靜密封靜密封液壓液壓- -動密封動密封氣動氣動- -動密封動密封和材料有關的和材料有關的O O形圈圓周方向的壓縮力形圈圓周方向的壓縮力Johnson Controls | January 2009123.03.0 O O型圈材料特性型圈材料特性Johnson Controls | January 2009133.13.1 O O型圈材料特性比較圖型圈材料特性比較圖Johnson Controls | January 2009143.23.2 O O型圈材料特性排序型圈材料特性排序Johnson Controls | January 2009153.

11、33.3 O O型圈材料硬度型圈材料硬度Johnson Controls | January 2009163.43.4 O O型圈材料特性型圈材料特性Johnson Controls | January 2009173.53.5 O O型圈材料耐化學性型圈材料耐化學性Johnson Controls | January 2009183.63.6 O O型圈材料耐溫性型圈材料耐溫性Johnson Controls | January 2009193.73.7 O O型圈材料選擇原則型圈材料選擇原則外界因素：外界因素：1 1，工作狀態(tài)：動密封，靜密封；連續(xù)工作，間斷工作等，工作狀態(tài)：動密封，靜密封

12、；連續(xù)工作，間斷工作等2 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，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 3，工作壓力：介質工作壓力高低，壓力波幅，瞬時最大壓力，工作壓力：介質工作壓力高低，壓力波幅，瞬時最大壓力4 4，工作溫度：瞬時溫度和冷熱交變溫度，工作溫度：瞬時溫度和冷熱交變溫度5 5，成本來源：成本低，來源廣，成本來源：成本低，來源廣O O型圈的硬度硬度：型圈的硬度硬度：一般為一般為70-9070-90邵氏硬度，靜密封選低值邵氏硬度，靜密封選低值7070，旋轉密封取高值，旋轉密封取高值8080，極少采用，極少采用9090。J

13、ohnson Controls | January 2009204.04.0 O O型圈設計原則型圈設計原則通則：通則：O O型圈密封是擠壓式密封，設計主要內容為型圈密封是擠壓式密封，設計主要內容為O O型圈的壓縮和拉伸。型圈的壓縮和拉伸。O O型圈直徑型圈直徑壓縮壓縮和和拉伸拉伸。 a a，壓縮量過?。盒孤?，壓縮量過小：泄漏 b b，壓縮量過大：應力松弛引起泄漏，壓縮量過大：應力松弛引起泄漏 c c，拉伸量過大：界面直徑減少太大而引起泄漏，拉伸量過大：界面直徑減少太大而引起泄漏4.0 4.0 壓縮率設計：壓縮率設計： W%=(dW%=(d0 0-h)/d-h)/d0 0。 a a，有足夠的密

14、封接觸面積，有足夠的密封接觸面積 b b，避免永久變形，避免永久變形 c c，摩擦力盡量小，摩擦力盡量小 圓柱靜密封：圓柱靜密封：10%-15%10%-15%，平面靜密封：，平面靜密封：15%-30%15%-30%。 往復運動密封：往復運動密封：10%-15%10%-15%。 旋轉動密封：內徑比軸大旋轉動密封：內徑比軸大3%-5%3%-5%，外徑壓縮率為，外徑壓縮率為3%-8%3%-8%。 低摩擦用密封：一般為低摩擦用密封：一般為5%-8%5%-8%，考慮介質和溫度引起的膨脹，考慮介質和溫度引起的膨脹， 如超過如超過15%15%，重新選材。，重新選材。Johnson Controls | Ja

15、nuary 2009214.14.1 O O型圈設計原則型圈設計原則4.1 4.1 拉伸率設計：拉伸率設計： W%=(dW%=(d0 0+d)/(d+d)/(d0 0+d+d1 1) )。 O O型圈裝入軸中后，一般會有拉伸，如果無拉伸型圈裝入軸中后，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，裝配時容易脫出，如拉伸過大，會導致O O型圈截面型圈截面積減少太多，出現(xiàn)泄漏。積減少太多，出現(xiàn)泄漏。 一般其拉伸量為一般其拉伸量為1%-5%1%-5%。Johnson Controls | January 2009224.24.2 O O型圈設計原則型圈設計原則4.2 4.2 接觸寬度

16、設計：接觸寬度設計： O 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其與密封面密封面的接觸寬度都和的接觸寬度都和O O形圈的密封性能，其值過小會使密封性受形圈的密封性能，其值過小會使密封性受到影響到影響。 O O形圈變形后的寬度形圈變形后的寬度BoBo（mmmm）與）與O O形圈的壓縮率形圈的壓縮率W W和截面直徑和截面直徑d do o有關有關，可用下式計算，可用下式計算 B Bo o= =（1/(1-W)-0.6W1/(1-W)-0.6W）d do o （W W取取10%40%10%40%） O O形圈與形圈與密封面

17、密封面的接觸面寬度的接觸面寬度b b（mmmm）也取決于）也取決于W W和和d do o： b=( 4W2+0.34W+0.31)d b=( 4W2+0.34W+0.31)do o ( W ( W取取10%40%)10%40%) 一般情況，考慮到壓力脈動和抽真空的需求，一般情況，考慮到壓力脈動和抽真空的需求，BoBo應接近于槽寬，應接近于槽寬，對于氣體介質的密封，對于氣體介質的密封，BoBo應比槽寬小應比槽寬小0.1-0.2mm0.1-0.2mm；對于液體介質的密封，；對于液體介質的密封， BoBo應比槽寬小應比槽寬小0.2-0.5mm0.2-0.5mm。 同時同時BoBo不應大于槽寬，否則承

18、壓后可能會減小密封不應大于槽寬，否則承壓后可能會減小密封接觸寬度接觸寬度，同，同時減小密封接觸應力而導致泄漏。時減小密封接觸應力而導致泄漏。 有壓力脈動時，槽寬過大會導致有壓力脈動時，槽寬過大會導致O O型圈來回偏移，出現(xiàn)磨損；槽寬型圈來回偏移，出現(xiàn)磨損；槽寬過小會導致過小會導致O O型圈填滿溝槽，導致阻力過大。型圈填滿溝槽，導致阻力過大。bBoJohnson Controls | January 2009235.05.0 O O型圈溝槽設計型圈溝槽設計5.0 O5.0 O型圈溝槽設計：型圈溝槽設計： 槽體積比槽體積比O O型圈體積大型圈體積大15%15%左右。左右。 設計參數(shù)：形狀，尺寸，精

19、度，粗糙度，對于動密封，需要計算相對運動間隙。設計參數(shù)：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。原則：容易加工，尺寸合理，精度容易保證，拆裝方便。 a a，有壓縮，有壓縮3%-30%3%-30%的壓縮。的壓縮。 b b，在介質中膨脹，溫升膨脹。，在介質中膨脹，溫升膨脹。 c c，太窄磨損，太寬滾動磨損。，太窄磨損，太寬滾動磨損。 Johnson Controls | January 2009245.15.1 O O型圈溝槽設計型圈溝槽設計5.2 O5.2 O型圈溝槽深度設計：型圈溝槽深度設計： 槽深的設計決定槽深的設計決定

20、O O型圈的設計壓縮量，溝槽深度加上間隙小于型圈的設計壓縮量，溝槽深度加上間隙小于O O型圈自由狀態(tài)下型圈自由狀態(tài)下O O型圈的線徑型圈的線徑。 O O型圈的壓縮量由內徑壓縮量型圈的壓縮量由內徑壓縮量和外徑壓縮量和外徑壓縮量”構成。構成。 ”,O,O型圈安裝時受拉伸；用于滑動密封，如活塞密封。型圈安裝時受拉伸；用于滑動密封，如活塞密封。 5.3 O5.3 O型圈溝槽槽口和槽底圓角設計：型圈溝槽槽口和槽底圓角設計： 槽口圓角：防止槽口圓角：防止O O型圈裝配時出現(xiàn)割傷和刮傷。型圈裝配時出現(xiàn)割傷和刮傷。R=0.1R=0.10.2 mm0.2 mm 過大，過小會出現(xiàn)什么情況？（擠出和割傷）過大，過小

21、會出現(xiàn)什么情況？（擠出和割傷） 槽底圓角：防止出現(xiàn)應力集中，槽底圓角：防止出現(xiàn)應力集中， 動：動：R=0.1R=0.11.0 mm 1.0 mm ，靜，靜:R=d:R=d0 0/2 mm /2 mm ， Johnson Controls | January 2009255.35.3 O O型圈溝槽設計型圈溝槽設計5.4 O5.4 O型圈溝槽槽口和槽底圓角設計：型圈溝槽槽口和槽底圓角設計： 槽口圓角：防止槽口圓角：防止O O型圈裝配時出現(xiàn)割傷和刮傷。型圈裝配時出現(xiàn)割傷和刮傷。R=0.1R=0.10.2 mm0.2 mm 過大，過小會出現(xiàn)什么情況？（擠出和割傷）過大，過小會出現(xiàn)什么情況？（擠出和割

22、傷） 槽底圓角：防止出現(xiàn)應力集中，槽底圓角：防止出現(xiàn)應力集中， 動：動：R=0.1R=0.11.0 mm 1.0 mm ，靜，靜:R=d:R=d0 0/2 mm /2 mm ， 5.5 O5.5 O型圈溝槽表面粗糙度設計：型圈溝槽表面粗糙度設計： 靜密封：靜密封：Ra=6.3Ra=6.33.23.2， 動密封：動密封：Ra=1.6 Ra=1.6 ， 旋轉密封：軸凹槽：旋轉密封：軸凹槽：Ra=0.4Ra=0.4或更小?；蚋?。A A，采用什么樣的工藝來加工溝槽比較好。，采用什么樣的工藝來加工溝槽比較好。B B，溝槽的粗糙度過大或過小會出現(xiàn)什么問題，溝槽的粗糙度過大或過小會出現(xiàn)什么問題。 John

23、son Controls | January 2009265.45.4 O O型圈溝槽設計型圈溝槽設計5.6 O5.6 O型圈擋圈設計：型圈擋圈設計： 目的：防止目的：防止O O型圈在工作時出現(xiàn)間隙咬傷和擠出實效。型圈在工作時出現(xiàn)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。使用：單向受壓，一個擋圈；雙向受壓，兩個擋圈。 Johnson Controls | January 2009275.55.5 O O型圈溝槽設計型圈溝槽設計5.7 O5.7 O型圈溝槽型式和公差：詳見型圈溝槽型式和公差：詳見 GB/T 34523GB/T 34523 Johnson Controls

24、 | January 2009285.65.6 O O型圈溝槽設計型圈溝槽設計5.8 O5.8 O型圈密封常見型式：型圈密封常見型式： 軸向密封軸向密封徑向密封徑向密封接頭密封接頭密封悶塞密封悶塞密封Johnson Controls | January 2009296.06.0 O O型圈性能型圈性能抗磨損抗磨損 Johnson Controls | January 2009306.16.1 O O型圈性能型圈性能密封性能密封性能 Johnson Controls | January 2009316.26.2 O O型圈密封要求型圈密封要求穩(wěn)定性穩(wěn)定性 Johnson Controls | J

25、anuary 2009326.36.3 O O型圈性能型圈性能抗擠出性抗擠出性 Johnson Controls | January 2009336.46.4 O O型圈性能型圈性能貼合性貼合性 Johnson Controls | January 2009347.07.0 O O型圈失效型圈失效7.0 O7.0 O型圈失效：型圈失效： O O型圈常見的失效原因有材型圈常見的失效原因有材料問題、壓縮變形、間隙咬傷料問題、壓縮變形、間隙咬傷、扭曲現(xiàn)象、磨料磨損、表面、扭曲現(xiàn)象、磨料磨損、表面粗糙度不當和焦耳效應等。粗糙度不當和焦耳效應等。 壓縮變形，如右圖所示：壓縮變形，如右圖所示： Johns

26、on Controls | January 2009357.17.1 O O型圈失效型圈失效7.1 O7.1 O型圈失效：型圈失效： O O型圈磨損，如右圖所示：型圈磨損，如右圖所示： Johnson Controls | January 2009367.27.2 O O型圈失效型圈失效7.2 O7.2 O型圈失效：型圈失效： O O型圈安裝損壞，如右圖所示：型圈安裝損壞，如右圖所示： Johnson Controls | January 2009377.37.3 O O型圈失效型圈失效7.3 O7.3 O型圈失效：型圈失效： O O型圈爆破失效，如右圖所示：型圈爆破失效，如右圖所示： Johnson Controls