O型圈密封件的溝槽設(shè)計

一、O形圈密封件的設(shè)計方法

1、壓縮率 壓縮率W通常用下式表示：

W=(do-h)/do%

式中 do—O形密封圈在自由狀態(tài)下的截面直徑（mm）。

h —O形密封圈槽底與被密封表面的距離，即O形密封圈壓縮后的截面高度（mm）。

在選取O形圈的壓縮率時，應(yīng)從如下三個方面考慮：

1）要有足夠的密封接觸面積。

2）摩擦力盡量小。

3）盡量避免變形。

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，但是過大的壓縮率無疑會增大滑動摩擦力和變形。而壓縮率過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，要權(quán)衡個方面的因素。一般靜密封壓縮率大于動密封，但其極值應(yīng)小于25%，否則壓縮應(yīng)力明顯松弛，將產(chǎn)生過大的變形，在高溫工況中尤為嚴(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(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O形圈的作用力方向是不同的，所以預(yù)壓力設(shè)計也不同。對于動密封則要區(qū)分是往復(fù)運(yùn)動還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動密封。

靜密封：圓柱靜密封裝置和往復(fù)運(yùn)動式密封裝置一樣，一般取W=10%~15%；平面密封裝置取W=15%~30%。

對于動密封而言，可以分為三種情況：

往復(fù)運(yùn)動密封一般取W=10%~15%

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動密封在選取壓縮率時必須要考慮焦耳熱效應(yīng)，一般來說，旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動用O形圈的內(nèi)徑要比軸徑大3%~5%，外徑的壓縮率W=3%~8%。

低摩擦運(yùn)動用O形圈密封件，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，允許的大膨脹率為15%，超過這一范圍說明材料不合適，應(yīng)改用其他材料的O形圈密封件，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，各國都根據(jù)自己的使用 經(jīng)驗制訂出標(biāo)準(zhǔn)或給出值。

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(dǎo)致O形圈安裝困難，同時也會因截面直徑do發(fā)生變化而使壓縮率降低，以致引起泄漏。

拉伸量α可用下式表示：

α=(d+do)/d1+do

式中 d——軸徑（mm）；

d1——O形圈的拉伸量。

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)，其值過小會使密封性受到影響；過大則增加摩擦，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）也取決于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(jù)此估算摩擦力。

二、O形圈的設(shè)計

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形圈的尺寸由國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO3601/1）國家標(biāo)準(zhǔn)和組織標(biāo)準(zhǔn)等確定。如有些國家將O形圈的尺寸系列分為P系列（運(yùn)動用）、G系列（固定用）、V系列（真空用）和ISO系列（一般工業(yè)用）四個系列組成。

我國的O形圈內(nèi)徑、截面直徑尺寸及公差由GB/T34542.1—1992規(guī)定。密封裝置的密封可靠性主要取決于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，同時必須準(zhǔn)確地掌握作為設(shè)計依據(jù)的O形圈材質(zhì)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形圈的收縮率會隨著材質(zhì)硬度的提高而減小，也會隨著其內(nèi)徑的減小而提高。具有中等硬度（HS75±5），以及中等大小（內(nèi)徑d=40~70mm）的O形圈，其內(nèi)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(yīng)選擇截面較大的密封圈。通常，壓力較高和間隙較大時，應(yīng)選擇較高硬度的材料；也可以選擇一般硬度的材料，再安裝一個聚四氟乙烯擋圈。

三、O形密封圈密封溝槽設(shè)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(tài)由溝槽決定，所以，溝槽設(shè)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(shè)計是O形圈密封設(shè)計的主要內(nèi)容。

密封溝槽設(shè)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(yùn)動間隙。溝槽設(shè)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形密封圈使用多的溝槽形狀。這種溝槽的優(yōu)點是加工容易，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1.05~1.10倍。三角形溝槽式密封裝置在英國、美國、日本等國家均有應(yīng)用。設(shè)計的原則是O形密封圈內(nèi)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(shè)計

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： O形圈裝入溝槽后，承受3%~30%的壓縮，而橡膠材料本身教師不可壓 縮的，所以應(yīng)有容納O形圈變形部分的空間。

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。

在運(yùn)動狀態(tài)下，能適應(yīng)O形圈可能產(chǎn)生的輕微的滾動現(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，那么運(yùn)動時的摩擦阻力將會特別大，O形圈無法滾動，同時引起嚴(yán)重的磨損。槽也不宜過寬，因為槽過寬時O形圈的游動范圍很大，也容易磨損。特別是靜密封時，如果工作壓力是脈動的，那么靜密封就不會靜，它將在不適宜的寬槽內(nèi)以同樣的脈動頻率游動，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(dāng)內(nèi)壓很高時，就必須使用擋圈，這時槽寬也應(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(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3452.3—1988），也可根據(jù)對根據(jù)對密封圈壓縮量與拉伸量的要求計算設(shè)計溝槽尺寸。

3、槽深的設(shè)計

溝槽的深度主要取決于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形圈密封件截面直徑，以保證密封所需的O形圈密封件壓縮的變形量。

O形圈密封件壓縮變形量由O形圈內(nèi)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(dāng)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于槽中心圓的周長，說明O形圈以拉伸狀態(tài)裝在槽內(nèi)；若δ’<δ’’，則O形圈截面中心圓的周長大于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(xiàn)彈跳現(xiàn)象。

設(shè)計槽深時，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、槽口及槽底圓角的設(shè)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(shè)計的。它一般采用較小的圓角半徑，即r=0.1~0.2mm。這樣可以避免該處形成鋒利的刃口，O形密封圈也不敢發(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

往復(fù)運(yùn)動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形圈會被擠入間隙而損壞。一般內(nèi)壓越大，間隙越?。籓形圈材料硬度越大，間隙可放大。當(dāng)間隙值在曲線的左下方時，將不發(fā)生間隙咬傷即“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形圈密封件工作過程中不運(yùn)動，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm，對于往復(fù)運(yùn)動用O形圈，因常在槽內(nèi)滾動，槽壁與槽底的粗糙程度應(yīng)到低一些，要求在Ra=1.60μm以下。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動用的O形圈密封件一般在溝槽內(nèi)是靜止的，要求軸的粗糙度Ra=0.40μm或者拋光。

四、擋圈

擋圈的作用在于防止O形圈密封件發(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，擋圈也會產(chǎn)生“擠出"現(xiàn)象

O形密封圈使用擋圈后，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。擋圈還有助于O形圈密封件保持良好的潤滑。如果單向受壓，則在承受側(cè)用一個擋圈；如果雙向受壓則用兩個擋圈。對于靜密封，內(nèi)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形圈密封件發(fā)生“間隙咬傷"現(xiàn)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密封件為常用。

聚四氟乙烯作為擋圈材料有下列幾點：

1、工作精度高。

2、耐化學(xué)品性能優(yōu)異，可用于幾乎所有的介質(zhì)。

3、無硬化破損現(xiàn)象。

4、使用溫度范圍寬

5、摩擦力小。

6、無吸水性。

7、在177℃溫度下不發(fā)生老化等。