O形圈密封的原理和选用

O形圈密封的原理和选用中应注意什么？泄漏的防治措施是什么？ 

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标准答案

O形圈密封的原理和选用中应注意什么？泄漏的防治措施是什么？

    O形橡胶密封圈适用于液压，气动系统及元件，也是液压工程中使用最广泛的一种密封件。其材料主要为丁腈橡胶或氟橡胶。O形橡胶密封圈（简称O形圈），其截面呈圆形，见图1所示。 

图1  0形橡胶密封圈 

d1-O形圈内径 d2-O形圈截面直径 

    (1) 特点 

    O形圈主要用于静密封和往复运动密封。用于旋转运动密封装置中的O形圈实例，仅限于低速回转密封装置。如液压挖 

掘机中的回转接头的分配阀动密封结构。一般O形圈在旋转运动密封装置中使用较少。 

    O形圈与其他型式密封圈比较，具有以下主要优点：①结构小巧，装拆方便。②价格低廉，体积小。③既可用作动密封件，也可用于静密封。④动摩擦阻力比较小。⑤使用单件O形圈，可对两个方向起密封作用。 

    (2) 密封原理 

    1) O形圈用于静密封时的密封原理，见图2所示。 

图2   O形橡胶密封圈的接触应力分布 

a)空载状态   b)承载状态 

    O形圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。在无液压力的情况下，弹性压缩变形的O形圈，在其自身具有的弹性力作用下，对接触面产生一个预接触应力p0，见图2a所示。而当容腔内充入有压力流体后，则在液压力p的作用下，O形圈发生位移，移向低压侧，并进一步加大弹性变形，紧逼和封闭了密封间隙δ0。此刻，作用于密封副偶合面的接触应力，上升为p0+P=Pm，从而大大增强了密封效果，见图2b所示。当容腔内的压力介质卸压后(P=0)，则由于初始装配时O形圈所具有的预接触应力p0。的作用，仍能保证密封装置在卸压后的密封性能。此即所谓O形圈的自封作用。 

    2) 往复运动用O形圈的密封原理。图3a所示为O形圈作用于往复运动滑移面的接触情况。基于油液的粘度及运动速度等因素的作用，沿金属滑移面和密封件间，构成一层粘附力极强的油膜。当轴向外伸出时，油膜与轴一起探出，见图3b所示。而当轴回程时，油膜被残留于密封件的外侧。随着轴的频繁往复运动次数增加，残留于密封件外侧的油膜日益增厚。最后形成油滴从轴面滴下，见图3c所示。形成了O形圈往复运动密封装置的泄漏。 

图3   油膜形成及泄漏情况 

    3) O形圈尺寸系列及公差见表1所示。O形圈安装沟槽尺寸和公差见表2a、b。O形圈的缸内径和活塞直径尺寸适用范围查阅附录C GB/T3452.3—1988。 

表1   O形圈内径、截面直径尺寸及公差（摘自GB/T3452.1—1992） 

表2a   O形圈沟槽型式（摘自GB/TI3452.3—1988） 

表2b   O形圈沟槽尺寸与公差（摘自GB/T3452.3—1988） (mm) 

注：为适应特殊需要，d3、d4、d5 J6的公差范围可以改变，但d3+d4或d5+d6的总公差值不得超过表列数 

    O形圈外观质量检验的国家标准见表3所示。 

表3   O形橡胶密封圈表面缺陷的最大允许极限（摘自GB/T3452.2_1987）(mm) 

1.  对流痕、凹、凸缺陷在符合本表规定极限条件下： 

     a.  O形圈圆周方向上，任一25mm以内，缺陷不许多于3处； 

     b.  缺陷间不许互连； 

     c.  缺陷间的距离小于规定的缺陷宽度极限者，缺陷不许多于3处。 

2.  N级：适用于一般用途。 

     S级：适用于外观质量高的场合。 

     NZ、SZ级：对外观质量要求比N级、S级更严格的使用场合。 

    4) O形圈的拉伸量α及压缩率εc的计算。 

    对O形圈尺寸与沟槽尺寸的匹配，世界各国的标准都有较严格的规定。设计时若O形圈压缩量选择过小，或加工沟槽时公差波动向压压缩量小的方向靠拢，装配后就会引起O形圈的泄漏。如果压缩量选择过大，或加工沟槽时公差波动向压缩量大的方向靠拢，则会导致因压缩率过大而引起橡胶应力松驰，形成密封装置泄漏。同样，O形圈装配后，若拉伸过度,也会造成因密封件过早老化而引起的密封装置泄漏。 

    表4所示为O形圈的拉伸量α和压缩率εc的选用范围。 

表4   O形圈的拉伸量和压缩率的选取范围 

    表4中所列数值亦可通过计算式（1）和式（2）计算得出。式中的符号含义，见图4所示。 

图4    不用使用条件下的O形圈设计示意图 

a)静密封 b)活塞往复动密封 c)活塞杆往复动密封 d)旋转轴动密封 

α=（D2+d2）/（D+d2）或（D3+d2）/（D+d2）          （1） 

εc=（dc-h）/dc×100%                            （2） 

式中      d2——O形圈界面直径； 

            D——O形圈内径；D1、D2、D3，见图4所示； 

            h—— 密封件安装腔体的高度； 

h=（D1-D2）/2或（D1-D3）/2         （3） 

            dc———拉伸后O形圈的实际截面直径 

dc=d2√Kc/d-0.35                     （4） 

            Kc——经验常数。低丙烯腈含量（丁腈-18）Kc取1.25；中丙烯腈含量（丁腈-26）Kc取1.35；高丙烯腈含量（丁腈-40）Kc取1.45等。 

    由表4可知，动密封的压缩率小于静密封。静密封用O形圈的压缩率极值，不应大于25%(最高35%)。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，尤为明显。然而压缩率也不宜过小，否则若装配部位有偏心，就会消失部分的压缩量，也会导致泄漏。 

    O形圈安装沟槽深度的设计，取决于O形圈所需的压缩率。沟槽的宽度，应由使用条件而定。通常，矩形沟槽的宽度，取O形圈截面直径的1.3 ～1.5倍。O形圈用于静密封时，压缩量较大，沟槽宽度应取大值。O形圈用于往复运动密封装置时，沟槽的宽度应取小值。若用于旋转运动的密封装置时，沟槽宽度应取O形圈截面直径的1.05～1.1倍。另外，应注意的是0形圈在旋转动密封的工况下，内径因摩擦生热而引起的“焦耳效应”会导致O形圈的内径收缩，这些都是影响O形圈密封质量的因素。 

    O形圈安装沟槽的宽度B及O形圈安装后与沟槽底面的接触宽度b，也可由计算式（5）、式（6）计算得出。但此两式只适 

用于εc=10%～40%的范围内。 

图5   往复运动O形圈 

应力分布和油膜厚度 

B=[1/(1-εc)-0.6εc]d2                               （5） 

b=(4εc2+0.34εc+0.309)d2                      （6） 

    图5是O形圈承受压力，在往复运动状态下的应力分布和油膜厚度。 

    5) 挡圈：挡圈的作用挡圈和0形圈同时使用，其作用是为了防止在承受压力载荷后，O形圈因产生弹性变形而嵌入密封副偶合件间的缝隙。对于动密封装置，通常当工作压力超过7MPa时，若O形圈承受单侧的介质压力，则应于低压腔一侧加一挡圈。若0形圈双向交替受介质压力，则应于O形圈的两侧，各加一个挡圈使用。加挡圈后的沟槽设计，可参考表2。 

    ① O形圈用于静密封装置中，当介质压力大于32MPa时，应考虑在低压腔一侧，紧贴O形圈加一挡圈。 

    ② 在经常承受脉冲压力的密封装置中,也应采用挡圈,以防止O形圈的异常损耗。 

    使用挡圈，虽然可以防止O形圈的“挤出”，但会因此增加密封装置的运动摩擦阻力。表6-8所示，为O形圈密封装置不使用挡圈时,密封副偶件间的最大间隙允许值。 

表5   不使用挡圈的最大间隙允许值     (mm) 

表6   挡圈的类型 

续表6

    挡圈的材料挡圈使用的材料，通常为聚四氟乙烯树脂，或尼龙1010和尼龙6等。若挡圈使用在超高压条件下，则除了要求严格控制间隙尺寸外，挡圈材料应考虑采用巴氏合金之类的软金属材料。 

    6) 安装：见图6所示。O形圈的安装质量，关系到密封装置的密封性能优劣和密封件的使用寿命。在安装过程中，不允许0形圈被划伤和位置安装不正，以及O形圈被扭曲等情况发生。同时，装配前各装配偶件必须严格清洗。对于O形圈在装配过程中要通过的偶合面，必须涂敷润滑脂。对径向孔或螺纹的部位，应用护套隔开或采取其他防护措施，使O形圈在装配时不被划伤。 

    对于有负压或ー侧真空的工况，也应采用图6a所示的防止O形圈被吸入孔口的防护沟槽。 

图6   O形圈的装配 

a) O形圈通过外螺纹的装配工具   b) O形圈通过内孔时，孔壁应倒角α 

c)正压静密封沟槽   d)有负压的静密封沟槽 

    O形圈密封的泄漏原因及防治措施见表7所示。 

表7   O形圈泄漏原因及防治措施