O型圈及其槽設(shè)計(jì)

1、O型圈及其槽設(shè)計(jì) O型密封圈及其槽的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，對(duì)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(nèi)起密封作用。O形密封圈良好的密封效果很大程度上取決于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(shè)計(jì)加工時(shí)，若使O形圈壓縮量過(guò)小，就會(huì)引起泄漏；壓縮量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致O形密封圈橡膠應(yīng)力松弛而引起泄漏。同樣，O形圈工作中拉伸過(guò)度，也會(huì)加速老化而引起泄漏。世界各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此都有較嚴(yán)格的規(guī)定。1、 O形圈密封的設(shè)計(jì)原則1）壓縮率 壓縮率W通常用下式表示：W= (do-h)/do% 式中 doO形圈在自

2、由狀態(tài)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）。 在選取O形圈的壓縮率時(shí)，應(yīng)從如下三個(gè)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(fā)現(xiàn)，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(guò)大的壓縮率無(wú)疑會(huì)增大滑動(dòng)摩擦力和永久變形。而壓縮率過(guò)小則可能由于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(shí)，要權(quán)衡個(gè)方面的因素。一般靜密封壓縮率大于動(dòng)密封，但其極值應(yīng)小于30%(和橡膠材料有關(guān)），否則壓縮應(yīng)力明顯松弛，將產(chǎn)生過(guò)大的永久變形，在高

3、溫工況中尤為嚴(yán)重。 O 形圈密封壓縮率W的選擇應(yīng)考慮使用條件，靜密封或動(dòng)密封；靜密封又可分為徑向密封與軸向密封；徑向密封（或稱(chēng)圓柱靜密封）的泄漏間隙是徑向間隙，軸向密封（或稱(chēng)平面靜密封）的泄漏間隙是軸向間隙。軸向密封根據(jù)壓力介質(zhì)作用于O形圈的內(nèi)徑還是外徑又分受內(nèi)壓和外壓兩種情況，內(nèi)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(zhì)對(duì)O形圈的作用力方向是不同的，所以預(yù)壓力設(shè)計(jì)也不同。對(duì)于動(dòng)密封則要區(qū)分是往復(fù)運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封。 1.靜密封：圓柱靜密封裝置和往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(duì)于動(dòng)密封而言，可以分為三種情況：

4、 a.往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封一般取W=10%15%。 b.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封在選取壓縮率時(shí)必須要考慮焦耳熱效應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用O形圈的內(nèi)徑要比軸徑大3%5%，外徑的壓縮率W=3%8%。 c.低摩擦運(yùn)動(dòng)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(zhì)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(guò)這一范圍說(shuō)明材料選用不合適，應(yīng)改用其他材料的O形圈，或?qū)o定的壓縮變形率予以修正。壓縮變形的具體數(shù)值，一般情況下，各國(guó)都根據(jù)自己的使用經(jīng)驗(yàn)制訂出標(biāo)準(zhǔn)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

5、，拉伸量的大小對(duì)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(huì)導(dǎo)致O形圈安裝困難，同時(shí)也會(huì)因截面直徑do發(fā)生變化而使壓縮率降低，以致引起泄漏。拉伸量可用下式表示： =(d+do)/（d1+do） 式中 d軸徑（mm）； d1O形圈的內(nèi)徑（mm）； doO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(chǎn)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(guān)，其值過(guò)小會(huì)使密封性受到影響；過(guò)大則增加摩擦，產(chǎn)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(guān)，可用下式計(jì)算 BO=1/(1-W)-0.6

6、WdO （W取10%40%） O形圈與軸的接觸面寬度b（mm）也取決于W和dO： b=( 4W2+0.34W+0.31)dO ( W取10%40%) 對(duì)摩擦力限制較高的O形圈密封，如氣動(dòng)密封、液壓伺服控制元件密封，可據(jù)此估算摩擦力。 2、O形圈的設(shè)計(jì)絕大多數(shù)的O形圈是用合成橡膠材料制成的。合成橡膠O形圈的尺寸由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO3601/1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和組織標(biāo)準(zhǔn)等確定。如有些國(guó)家將O形圈的尺寸系列分為P系列（運(yùn)動(dòng)用）、G系列（固定用）、V系列（真空用）和ISO系列（一般工業(yè)用）四個(gè)系列組成。 我國(guó)的O形圈內(nèi)徑、截面直徑尺寸及公差由GB/T34542.11992規(guī)定。 密封裝置的密封可靠性主要取決于

7、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形圈需要采用高精度的模具進(jìn)行加工，同時(shí)必須準(zhǔn)確地掌握作為設(shè)計(jì)依據(jù)的O形圈材質(zhì)的收縮率。一般只能通過(guò)實(shí)測(cè)，來(lái)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于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(huì)隨著材質(zhì)硬度的提高而減小，也會(huì)隨著其內(nèi)徑的減小而提高。具有中等硬度（HS755），以及中等大小（內(nèi)徑d=4070mm）的O形圈，其內(nèi)徑的收縮率大約為1.5%。 一般，在靜密封場(chǎng)合，可選擇截面較小的

8、密封圈；在動(dòng)密封場(chǎng)合，應(yīng)選擇截面較大的密封圈。通常，壓力較高和間隙較大時(shí)，應(yīng)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(gè)聚 四氟乙烯擋圈。 3、O形密封圈密封溝槽設(shè)計(jì)O形密封圈的壓縮量與拉伸量是由密封溝槽的尺寸來(lái)保證的，O形密封圈選定后，其壓縮量、拉伸量及其工作狀態(tài)由溝槽決定，所以，溝槽設(shè)計(jì)與選擇對(duì)密封裝置的密封性和使用壽命的影響很大，溝槽設(shè)計(jì)是O形圈密封設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。 密封溝槽設(shè)計(jì)包括確定溝槽的形狀、尺寸、精度和表面粗糙等，對(duì)動(dòng)密封，還有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)間隙。溝槽設(shè)計(jì)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(jiàn)的槽形為矩形槽。 1）溝槽形狀 矩形溝槽是液壓氣動(dòng)

9、用O形密封圈使用最多的溝槽形狀。這種溝槽的優(yōu)點(diǎn)是加工容易，便于保證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1.051.10倍。三角形溝槽式密封裝置在英國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家均有應(yīng)用。設(shè)計(jì)的原則是O形密封圈內(nèi)徑的公稱(chēng)尺寸相等。 密封溝槽即可開(kāi)在軸上，也可開(kāi)在孔上；軸向密封則溝槽開(kāi)在平面上。 2）槽寬的設(shè)計(jì) 密封溝槽的尺寸參數(shù)取決于O形密封圈的尺寸參數(shù)。 溝槽尺寸可按體積計(jì)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?yàn)椋?a.O形圈裝入溝槽后，承受3%30%

10、的壓縮，而橡膠材料本身是不可壓縮的，所以應(yīng)有容納O形圈變形部分的空間。 b.處于油液中的O形圈，除了存在由于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(xiàn)象。所以溝槽必須留有一定的余量。 c.在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，能適應(yīng)O形圈可能產(chǎn)生的輕微的滾動(dòng)現(xiàn)象。一般認(rèn)為，裝配后的O形密封圈與槽壁之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙是必要的。但是這個(gè)間隙不能過(guò)大，否則在交變壓力的作用下就會(huì)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，那么運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力將會(huì)特別大，O形圈無(wú)法滾動(dòng)，同時(shí)引起嚴(yán)重的磨損。槽也不宜過(guò)寬，因?yàn)椴圻^(guò)寬時(shí)O形圈的游動(dòng)范圍很

11、大，也容易磨損。特別是靜密封時(shí)，如果工作壓力是脈動(dòng)的，那么靜密封就不會(huì)靜，它將在不適宜的寬槽內(nèi)以同樣的脈動(dòng)頻率游動(dòng)，出現(xiàn)異常磨損，使O形圈很快失效。 O形圈的截面面積至少應(yīng)占矩形槽截面面積的85%，槽寬必須大于O形圈壓縮變形后的最大直徑。在許多場(chǎng)合下保證取槽寬為O形圈截面直徑的1.11.5倍。當(dāng)內(nèi)壓很高時(shí)，就必須使用擋圈，這時(shí)槽寬也應(yīng)相應(yīng)加大。 工作方式不同，徑向密封或軸向密封，動(dòng)密封或靜密封，液壓密封或氣動(dòng)密 封，密封溝槽尺寸不同。我國(guó)O形圈密封圈與密封溝槽尺寸系列根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3452.31988），也可根據(jù)對(duì)根據(jù)對(duì)密封圈壓縮量與拉伸量的要求計(jì)算設(shè)計(jì)溝槽尺寸。 3）槽深的設(shè)計(jì) 溝槽的

12、深度主要取決于O形密封圈所要求的壓縮率，溝槽的深度加上間隙，至少必須小于自由狀態(tài)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(nèi)徑處的壓縮變形量 和外徑處的壓縮變形量 組成，即 =+。當(dāng)=時(shí)，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(shuō)明O形圈安裝時(shí)未受到拉伸。如果>，則O形圈截面中心圓的周長(zhǎng)小于槽中心圓的周長(zhǎng)，說(shuō)明O形圈以拉伸狀態(tài)裝在槽內(nèi)；若<，則O形圈截面中心圓的周長(zhǎng)大于槽的截面中心圓周長(zhǎng)，此時(shí)，O形圈受周向壓縮，拆卸時(shí)，O形圈會(huì)出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象。 設(shè)計(jì)槽深時(shí)，應(yīng)首先確定O形圈的使用方式，然后再去選定合理的壓縮變形率。 4）槽口及槽

13、底圓角的設(shè)計(jì) 溝槽的外邊口處的圓角是為了防止O形圈裝配時(shí)刮傷而設(shè)計(jì)的。它一般采用較小的圓角半徑，即r=0.10.2mm。這樣可以避免該處形成鋒利的刃口，O形圈也不敢發(fā)生間隙擠出，并能使擋圈安放穩(wěn)定。 溝槽槽底的圓角主要是為了避免該處產(chǎn)生應(yīng)力集中設(shè)計(jì)的。圓角半徑的取值，動(dòng)密封溝槽可取R=0.31mm，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 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞與缸壁之間必須有間隙，其大小與介質(zhì)工作壓力和O形圈材料的硬度有關(guān)。間隙太小，制造、加工困難；間隙太大，O形圈會(huì)被擠入間隙而損壞。一般內(nèi)壓越大，間隙越小；O形圈材料硬度越大，間隙可放大。當(dāng)間隙值在曲線的左下方時(shí)，將不發(fā)生間隙

14、咬傷即“擠出”現(xiàn)象。 間隙的給定數(shù)值與零件的制造精度有很大關(guān)系。 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(guò)程中不運(yùn)動(dòng)，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.33.2m，對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)用O形圈，因常在槽內(nèi)滾動(dòng)，槽壁與槽底的粗糙程度應(yīng)到低一些，要求在Ra=1.60m以下。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用的O形圈一般在溝槽內(nèi)是靜止的，要求軸的粗糙度Ra=0.40m或者拋光。 4、擋圈擋圈的作用在于防止O形圈發(fā)生“間隙咬傷”現(xiàn)象，提高其使用壓力。安有擋圈的O形圈在高壓作用下，首先向擋圈靠攏。隨著壓力的增加，O形圈與擋圈互相擠壓。由于它們是彈性體，兩者同時(shí)發(fā)生變形，此變形首先向它們的上下兩角擴(kuò)展，直到壓力超過(guò)10.5MPa。這種變形一直在兩者之間進(jìn)行，而不致使擋圈發(fā)生“擠出”現(xiàn)象。根據(jù)擋圈材料和結(jié)構(gòu)形 式的不同，其承壓能力提高的程度也不同。當(dāng)壓力足夠大時(shí)，擋圈也會(huì)產(chǎn)生“擠出”現(xiàn)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200700MPa；動(dòng)密封壓力也能提高到40MPa。擋圈還有助于O形圈保持良好的潤(rùn)滑。如果單向受壓，則在承受側(cè)用一個(gè)擋圈；如