O形圈密封与槽的设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。O 形圈密封是典型的挤压型密封。 O 形圈截面直径的压缩率和拉伸是密封设计的主要内容，对密封性能和使用寿命有重要意 义。 O 形圈一般安装在密封沟槽内起密封作用。 O 形密封圈良好的密封效果很大程度上

　　O 形圈密封是典型的挤压型密封。 O 形圈截面直径的压缩率和拉伸是密封设计的主要内容，对密封性能和使用寿命有重要意 义。 O 形圈一般安装在密封沟槽内起密封作用。 O 形密封圈良好的密封效果很大程度上取决 于 O 形圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配，形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。密封装置设计 加工时，若使 O 形圈压缩量过小，就会引起泄漏；压缩量过大则会导致 O 形密封圈橡胶应 力松弛而引起泄漏。同样，O 形圈工作中拉伸过度，也会加速老化而引起泄漏。世界各国的 标准对此都有较严格的规定。 1、O 形圈密封的设计原则 1）压缩率 压缩率 W 通常用下式表示： W= (do-h)/do% 式中 do——O 形圈在自由状态下的截面直径（mm） h ——O 形圈槽底与被密封表面的距离，即 O 形圈压缩后的截面高度（mm） 。 在选取 O 形圈的压缩率时，应从如下三个方面考虑： a.要有足够的密封接触面积 b.摩擦力尽量小 c.尽量避免变形。 从以上这些因素不难发现， 它们相互之间存在着矛盾。 压缩率大就可获得大的接触压力， 但是过大的压缩率无疑会增大滑动摩擦力和变形。 而压缩率过小则可能由于密封沟槽的 同轴度误差和 O 形圈误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此，在选择 O 形圈 的压缩率时， 要权衡个方面的因素。 一般静密封压缩率大于动密封， 但其极值应小于 30%(和 橡胶材料有关） ，否则压缩应力明显松弛，将产生过大的变形，在高温工况中尤为严重。 O 形圈密封压缩率 W 的选择应考虑使用条件，静密封或动密封；静密封又可分为径向 密封与轴向密封；径向密封（或称圆柱静密封）的泄漏间隙是径向间隙，轴向密封（或称平 面静密封）的泄漏间隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于 O 形圈的内径还是外径 又分受内压和外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低 O 形圈的初始拉伸。上述不同形 式的静密封，密封介质对 O 形圈的作用力方向是不同的，所以预压力设计也不同。对于动 密封则要区分是往复运动还是旋转运动密封。 1.静密封：圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样，一般取 W=10%~15%；平面密封装 置取 W=15%~30%。 2.对于动密封而言，可以分为三种情况： a.往复运动密封一般取 W=10%~15%。 b.旋转运动密封在选取压缩率时必须要考虑焦耳热效应， 一般来说， 旋转运动用 O 形圈的内 径要比轴径大 3%~5%，外径的压缩率 W=3%~8%。 c.低摩擦运动用 O 形圈，为了减小摩擦阻力，一般均选取较小的压缩率，即 W=5%~8%。 此外，还要考虑到介质和温度引起的橡胶材料膨胀。通常在给定的压缩变形之外，允许的 大膨胀率为 15%，超过这一范围说明材料选用不合适，应改用其他材料的 O 形圈，或对给 定的压缩变形率予以修正。压缩变形的具体数值，一般情况下，各国都根据自己的使用经验 制订出标准或给出推荐值。 2）拉伸量 O 形圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率不一样，拉伸量的大小对 O 形圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。拉伸量大不但会导致 O 形圈安装困难，同 时也会因截面直径 do 发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量α 可用下式表示： α =(d+do)/（d1+do） 式中 d——轴径（mm） ； d1——O 形圈的内径（mm） ； do——O 形圈的截面直径（mm） 。 3）接触宽度 O 形圈装入密封沟槽后， 其横截面产生压缩变形。 变形后的宽度及其与轴的接触宽度都和 O 形圈的密封性能和使用寿命有关，其值过小会使密封性受到影响；过大则增加摩擦，产生摩 擦热，影响 O 形圈的寿命。 O 形圈变形后的宽度 BO（mm）与 O 形圈的压缩率 W 和截面直径 dO 有关，可用下式计算 BO={1/(1-W)-0.6W}dO （W 取 10%~40%） O 形圈与轴的接触面宽度 b（mm）也取决于 W 和 dO： b=( 4W2+0.34W+0.31)dO ( W 取 10%~40%) 对摩擦力限制较高的 O 形圈密封，如气动密封、液压伺服控制元件密封，可据此估算摩擦 力。 2、O 形圈的设计 绝大多数的 O 形圈是用合成橡胶材料制成的。合成橡胶 O 形圈的尺寸由国际标准 （ISO3601/1） 国家标准和组织标准等确定。 如有些国家将 O 形圈的尺寸系列分为 P 系列 （运 动用） 、G 系列（固定用） 、V 系列（真空用）和 ISO 系列（一般工业用）四个系列组成。 我国的 O 形圈内径、截面直径尺寸及公差由 GB/T34542.1—1992 规定。 密封装置的密封可靠性主要取决于 O 形圈的压缩量。在一般的情况下，这种压缩量都是很 小的，只有十几微米到几十微米，硅胶O型圈这就要求 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进行加工，同时必须准确地掌握作为设计依据的 O 形圈材质的 收缩率。一般只能通过实测，来获得 O 形圈的收缩率。值得注意的是： 1）O 形圈截面收缩率很小，一般不予考虑。只有在其截面直径大于 8mm 的情况下，才予以 考虑。 2）在和工艺条件一定的情况下，O 形圈的收缩率会随着材质硬度的提高而减小，也会 随着其内径的减小而提高。具有中等硬度（HS75±5） ，以及中等大小（内径 d=40~70mm） 的 O 形圈，其内径的收缩率大约为 1.5%。 一般， 在静密封场合， 可选择截面较小的密封圈； 在动密封场合， 应选择截面较大的密封圈。 通常，压力较高和间隙较大时，应选择较高硬度的材料；也可以选择一般硬度的材料，再安 装一个聚四氟乙烯挡圈。 3、O 形密封圈密封沟槽设计 O 形密封圈的压缩量与拉伸量是由密封沟槽的尺寸来保证的， O 形密封圈选定后，其压 缩量、拉伸量及其工作状态由沟槽决定，所以，沟槽设计与选择对密封装置的密封性和使用 寿命的影响很大，沟槽设计是 O 形圈密封设计的主要内容。 密封沟槽设计包括确定沟槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙等，对动密封，还有确定相对运 动间隙。沟槽设计原则是：加工容易，尺寸合理，精度容易保证，O 形圈装拆较为方便。常 见的槽形为矩形槽。 1）沟槽形状 矩形沟槽是液压气动用 O 形密封圈使用多的沟槽形状。这种沟槽的优点是加工容易，便 于保证 O 形密封圈具有必要的压缩量。除矩形沟槽外，还有 V 形、半圆形、燕尾形和三角 形等型式的沟槽。 三角形沟槽截面形状是以 M 为直角边的等边直角三角形。截面积大约为 O 形圈截面面积的 1.05~1.10 倍。三角形沟槽式密封装置在英国、美国、日本等国家均有应用。设计的原则是 O 形密封圈内径的公称尺寸相等。 密封沟槽即可开在轴上，也可开在孔上；轴向密封则沟槽开在平面上。 2）槽宽的设计 密封沟槽的尺寸参数取决于 O 形密封圈的尺寸参数。 沟槽尺寸可按体积计算，通常要求矩形沟槽的尺寸比 O 形圈的体积大 15%左右。这是因为： a.O 形圈装入沟槽后，承受 3%~30%的压缩，而橡胶材料本身是不可压缩的，所以应有容纳 O 形圈变形部分的空间。 b.处于油液中的 O 形圈， 除了存在由于油液的浸泡而可能引起的橡胶材料的膨胀外， 还有可 能存在随着液体工作温度的增高， 而引起橡胶材料的膨胀现象。 所以沟槽必须留有一定的余 量。 c.在运动状态下，能适应 O 形圈可能产生的轻微的滚动现象。一般认为，装配后的 O 形密 封圈与槽壁之间留有适当的间隙是必要的。 但是这个间隙不能过大， 否则在交变压力的作用 下就会变成有害的“游隙” ，而增加 O 形圈的磨损。 槽不宜太窄，如果 O 形圈截面填满了槽的截面，那么运动时的摩擦阻力将会特别大，O 形 圈无法滚动，同时引起严重的磨损。槽也不宜过宽，因为槽过宽时 O 形圈的游动范围很大， 也容易磨损。特别是静密封时，如果工作压力是脉动的，那么静密封就不会静，它将在不适 宜的宽槽内以同样的脉动频率游动，出现异常磨损，使 O 形圈很快失效。 O 形圈的截面面积至少应占矩形槽截面面积的 85%，槽宽必须大于 O 形圈压缩变形后的 大直径。在许多场合下保证取槽宽为 O 形圈截面直径的 1.1~1.5 倍。当内压很高时，就必须 使用挡圈，这时槽宽也应相应加大。 工作方式不同，径向密封或轴向密封，动密封或静密封，液压密封或气动密封，密封沟槽尺 寸不同。 我国 O 形圈密封圈与密封沟槽尺寸系列根据国家标准 GB/T3452.3—1988） ， 也可根 据对根据对密封圈压缩量与拉伸量的要求计算设计沟槽尺寸。 3）槽深的设计 沟槽的深度主要取决于 O 形密封圈所要求的压缩率，沟槽的深度加上间隙，至少必须小于 自由状态下的 O 形圈截面直径，以保证密封所需的 O 形圈压缩的变形量。 O 形圈压缩变形量由 O 形圈内径处的压缩变形量δ ’ 和外径处的压缩变形量δ ’ ’ 组成， 即 δ =δ ’+δ ’ ’ 。当δ ’=δ ’ ’时，O 形圈的截面中心与槽的截面中心重合，两中心圆的 圆周相等，说明 O 形圈安装时未受到拉伸。如果δ ’δ ’ ’ ，则 O 形圈截面中心圆的周长小 于槽中心圆的周长，说明 O 形圈以拉伸状态装在槽内；若δ ’δ ’ ’ ，则 O 形圈截面中心圆 的周长大于槽的截面中心圆周长，此时，O 形圈受周向压缩，拆卸时，O 形圈会出现弹跳现 象。 设计槽深时，应首先确定 O 形圈的使用方式，然后再去选定合理的压缩变形率。 4）槽口及槽底圆角的设计 沟槽的外边口处的圆角是为了防止 O 形圈装配时刮伤而设计的。它一般采用较小的圆角半 径，即 r=0.1~0.2mm。这样可以避免该处形成锋利的刃口，O 形圈也不敢发生间隙挤出，并 能使挡圈安放稳定。 沟槽槽底的圆角主要是为了避免该处产生应力集中设计的。 圆角半径的取值， 动密封沟槽可 取 R=0.3~1mm，静密封沟槽可取其 O 形圈截面直径的一半，即 R=d/2。 5）间隙 往复运动的活塞与缸壁之间必须有间隙，其大小与介质工作压力和 O 形圈材料的硬度有关。 间隙太小，制造、加工困难；间隙太大，O 形圈会被挤入间隙而损坏。一般内压越大，间隙 越小；O 形圈材料硬度越大，间隙可放大。当间隙值在曲线的左下方时，将不发生间隙咬伤 即“挤出”现象。 间隙的给定数值与零件的制造精度有很大关系。 6）槽壁粗糙度 密封沟槽的表面粗糙度，直接影响着 O 形圈的密封性和沟槽的工艺性。静密封用 O 形圈工 作过程中不运动，硅胶O型圈所以槽壁的粗糙度用 Ra=6.3~3.2μ m，对于往复运动用 O 形圈，因常在槽 内滚动，槽壁与槽底的粗糙程度应到低一些，要求在 Ra=1.60μ m 以下。旋转运动用的 O 形 圈一般在沟槽内是静止的，要求轴的粗糙度 Ra=0.40μ m 或者抛光。 4、挡圈 挡圈的作用在于防止 O 形圈发生“间隙咬伤”现象，提高其使用压力。安有挡圈的 O 形圈在高压作用下，首先向挡圈靠拢。随着压力的增加，O 形圈与挡圈互相挤压。由于它们 是弹性体， 两者同时发生变形， 此变形首先向它们的上下两角扩展， 直到压力超过 10.5MPa。 这种变形一直在两者之间进行，而不致使挡圈发生“挤出”现象。根据挡圈材料和结构形式 的不同，其承压能力提高的程度也不同。当压力足够大时，硅胶O型圈挡圈也会产生“挤出”现象。 O 形圈使用挡圈后，工作压力可以大大提高。静密封压力能提高到 200~700MPa；动密封压 力也能提高到 40MPa。挡圈还有助于 O 形圈保持良好的润滑。如果单向受压，则在承受侧 用一个挡圈；如果双向受压则用两个挡圈。对于静密封，内压在 32MPa 以下不用挡圈，超 过此值用挡圈。使用挡圈后虽可防止 O 形圈发生“间隙咬伤”现象，但会增加密封装置的 摩擦阻力。 挡圈的材料有皮革、硬橡胶和聚四氟乙烯等，也有尼龙 6 和尼龙 1010 的。而以聚四氟乙烯 挡圈为常用。聚四氟乙烯作为挡圈材料有下列有点。 1）工作精度高。 2）耐化学品性能优异，可用于几乎所有的介质。 3）无硬化破损现象。 4）使用温度范围宽。 5）摩擦力小。 6）无吸水性。 7）在 177℃温度下不发生老化等。
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