O形圈设计选型原则

时间：2020-06-30 23:26:16 阅读：180 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

（一）O形圈的概述与密封原理

O形橡胶圈密封圈简称O形圈，是一种截面形状为圆形的橡胶圈。O形密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。O形圈有良好的密封性能，既可用于静密封，也可用于动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。它的使用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种介质和各种运动条件的要求。
O形密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。

（二）压缩率与预拉伸率

O形密封圈是典型的挤压型密封。O型圈截面直径的压缩率和拉伸量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形密封圈有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。

2.1. 压缩率

压缩率 $x$ 通常用下式表示： $x = \frac{d_{0} - h}{d_{0}}$
$d_{0}$ : O形圈在自由状态下的截面直径；
$h$ : O形圈槽底与被密封表面的距离（沟槽深度），即O形圈压缩后的截面高度
在选取O形圈的压缩率时，应从如下三方面考虑：

要有足够的密封接触面积
摩擦力尽量小
尽量避免永久变形

从以上这些因素不难发现,他们相互之间存在矛盾。压缩率大就可获得大的接触压力，但是过大的压缩率无疑就会增大滑动摩擦力和永久变形。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，要权衡各方面的因素。一般静密封压缩率大于动密封，但其极值应小于25%，否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。
O型密封圈压缩率x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受外压两种情况，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密封还是旋转运动密封。

静密封：圆柱(径向)静密封装置和往复运动式密封装置一样，一般取x=10%～15%；平面（轴向）静密封装置取x=15%～30%。
对于动密封而言，可以分为三种情况:
1. 往复运动一般取x=10%～15%。
2. 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x=3%-8%。
3. 低摩擦运动用O形圈，为了减少摩擦阻力，一般均选取较小的压缩率，即x=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，允许的最大膨胀率为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。

2.2. 预拉伸率

O形圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率一样，预拉伸量的大小对O形圈的密封性能和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 $d_{0}$ 发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。
预拉伸率可用下式表示： $y = \frac{d + d_{0}}{d_{1} + d_{0}}$
$d$ : 轴径
$d_{1}$ : O形圈内径
$d_{0}$ : O形圈在自由状态下的截面直径
拉伸率的取值范围为1%-5%。如表给出了O形圈拉伸量的推荐值，可根据轴径的大小，按表选限取O形圈的拉伸量。

密封形式	密封介质	拉伸率 $y$ %	压缩率 $x$ %
静密封	液压油	1.03~1.04	15~25
静密封	空气	<1.01	15~25
往复运动	液压油	1.02	12~17
往复运动	空气	<1.01	12~17
旋转运动	液压油	0.95~1	5~10

（三）O形圈的使用

O形圈在多种液压、气动件管接头、圆筒面及法兰面等结合处被广泛使用。对于在运动过程中使用的O形圈，当工作压力大于9.8Mpa时，如单向受压，就在O型圈受压力方向的另一侧设置一个挡圈；如双向受压，则在O型圈两侧各放一个挡圈。为了减小摩擦力，也可采用楔型挡圈。当压力液体从左方施加作用时，右方挡圈被推起，左方挡圈不与被密封表面接触，因此摩擦力减小。总的来说，采用挡圈会增大密封装置的摩擦力，而楔型挡圈对减小这种摩擦力具有十分重要的意义。对于固定用的O型圈，当工作压力大于32Mpa时，也需要使用挡圈。

3.1. O型圈的安装

O型圈的安装质量对其密封性和使用寿命均有重要的影响。泄漏问题往往是因为安装不良而造成的。
安装过程中不允许出现O型圈被划伤和位置安装不正，以及O型圈被扭曲等情况。装配前，密封沟槽、密封配合面必须严格清洗；同时对O型圈装配中要通过的表面涂敷润滑脂。
为了防止O型圈在安装时被尖角和螺纹等锐边切伤或划伤，应在安装的轴端和孔端留有15º～30º的引入角。当O型圈需通过外螺纹时，应使用专用的薄壁金属导套，套住外螺纹；如果O型圈需通过孔口时，应使孔口倒成相应的斜角形状，以防O型圈被划伤。坡口的斜角一般为a=120º～140º

3.2. O形橡胶密封圈泄漏原因及改进意见

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（四）O形圈沟槽设计

O形圈沟槽设计准则

O形圈沟槽尺寸应根据O形圈的预拉伸率y%、预压缩率k%、压缩率x%、O形圈截面减少、溶胀等因素进行设计。

4.1. O形圈的预拉伸率和预压缩率（用于确定沟槽槽底尺寸）

活塞密封O形圈预拉伸率y%

活塞密封时，所选用的O形圈内径 $d_{1}$ 应小于或等于沟槽底直径 $d_{3}$ ，最大预拉伸量不得大于表A.1的规定值，最小预拉伸率应等于零。
活塞杆密封O形圈预压缩率k%

活塞杆密封时，所选用的O形圈外径 $(d_{1} + 2 d_{2})$ 应大于或等于沟槽槽底直径 $d_{6}$ 。最大预压缩率不得大于表A.2的规定值，最小预压缩率应等于零。