O形圈密封与槽的设计

1、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。形密封圈橡胶应力松弛而引起泄漏。同样， 。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。形圈在自由状态下的截面直径（ mm）h 。形

2、圈槽底与被密封表面的距离，即。形圈压缩后的截面高度（mm）。在选取。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.尽量避免永久变形。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 。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，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。O形圈密封压缩率

3、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

4、 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。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，一般土选取较小的压缩率，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。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。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

5、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”可用下式表示：a =(d+do)/ (d1+do)式中d轴径(mm);di。形圈的内径(mm);do。形圈的截面直径(mm)。3)接触宽度。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。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)-0.6WdO

6、(W 取 10%40%)。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、。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。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

7、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，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。形圈的收缩率。值得注意的是：8mm的情况下，才予以1）。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 考虑。2）在配方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（HS755）,以及中等大小（内径 d=4070mm）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

8、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、。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

9、状矩形沟槽是液压气动用 O形密封圈使用最多的沟槽形状。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。形圈截面面积的1.051.10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

10、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 。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，

11、因为槽过宽时。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。形圈很快失效。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形圈压缩变形后的最 大直径。在许多场合下保证取槽宽为 。形圈截面直径的1.11.5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。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

12、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。形圈截面直径，以保证密封所需的O形圈压缩的变形量。形圈压缩变形量由 。形圈内径处的压缩变形量 8和外径处的压缩变形量 8组成， 即8 = 8 + 8 当8 =8 时，。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。形圈安装时未受到拉伸。如果 8 8 则。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 8 8 则。形圈截面中心圆 的周长大于槽的截面中心圆周长，此时，。形圈受周向压缩，拆卸时， 。形圈会出现弹跳现象。设计槽深时，应首

13、先确定 。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=0.10.2mm。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=0.31mm,静密封沟槽可取其 O形圈截面直径白一半，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；。形圈

14、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，所以槽壁的粗糙度用 Ra=6.33.2 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=1.60m以下。旋转运动用的 。形 圈一般在沟槽内是静止的，要求轴的粗糙度Ra=0.40科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，。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，挡圈也会产生“挤出”现象。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 200700MPa；动密封压 力也能提高到40MPa。挡圈还有助于 。形圈保持良好的润滑。如果单向受压，则在承受侧 用