O形密封圈的密封原理

-.z.O形密封圈简称O形圈，是一种截面为圆形的橡胶圈。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，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中；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。它的适用围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种运动条件的要求，工作压力可从1.333×105Pa的真空到400MPa高压；温度围可从-60℃到200℃。

与其它密封型式相比，O形密封圈具有以下特点：

1）结构尺寸小，装拆方便。

2）静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏。

3）使用单件O形密封圈，有双向密封作用。

4）动摩擦阻力较小。

5）价格低廉。

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压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。在用于静密封和动密封时，密封接触面接触压力产生原因和计算方法不尽相同，需分别说明。

1、用于静密封时的密封原理

在静密封中以O形圈应用最为广泛。如果设计、使用正确，O形密封圈在静密封中可以实现无泄漏的绝对密封。

O形密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。对接触面产生一定的初始接触压力Po。即使没有介质压力或者压力很小，O形密封圈靠自身的弹性力作用而也能实现密封；当容腔充入有压力的介质后，在介质压力的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭间隙δ。此时，坐用于密封副偶合面的接触压力上升为Pm：

Pm=Po+Pp

式中Pp——经O形圈传给接触面的接触压力（0.1MPa）

Pp=K·P

K——压力传递系数，对于橡胶制O形密封圈K=1；

P——被密封液体的压力（0.1MPa）。

从而大大增加了密封效果。由于一般K≥1，所以Pm＞P。由此可见，只要O形密封圈存在初始压力，就能实现无泄漏的绝对密封。这种靠介质本身压力来改变O形密封圈接触状态，使之实现密封的性质，称为自封作用。

理论上，压缩变形即使为零，在油压力下也能密封，但实际上O形密封圈安装时可能会有偏心。所以，O形圈装入密封沟槽后，其断面一般受到7%—30%的压缩变形。静密封取较大的压缩率值，动密封取较小的压缩率值。这是因为合成橡胶在低温下要压缩，所以静密封O形圈的预压缩量应考虑补偿它的低温收缩量。

2、用于往复运动密封时的密封原理

在液压转动、气动元件与系统中，往复动密封是一种最常见的密封要求。动力缸活塞与缸体、活塞干预缸盖以及各类滑阀上都用到往复运动密封。缝隙由圆柱杆与圆柱孔形成，杆在圆柱孔轴向运动。密封作用限制流体的轴向泄漏。用作往复运动密封时，O形圈的预密封效果和自密封作用与静密封一样，并且由于O形圈自身的弹力，而具有磨损后自动补偿的能力。但由于液体介质密封时，由于杆运动速度、液体的压力、粘度的作用，情况比静密封复杂。

当液体在压力作用下，液体分子与金属表面互相作用，油液中所含的“极性分子”在金属表面上紧密而整齐的排列，沿滑移面与密封件间形成一个强固的边界层油膜，并且对滑移面产生极大的附着力。该液体薄膜始终存在于密封件与往复运动面之间，它亦起一定的密封作用，并且对运动密封面的润滑是非常重要的。但是对泄漏来讲是有害的。但往复运动的轴向外拖出时，轴上的液体薄膜便与轴一起拉出，由于密封件的“擦拭”作用，当往复运动的轴缩回时，该液体薄膜便被密封元件阻留在外面。随着往复运动行程次数增多，阻留在外面的液体就越多，最后形成油滴，这就是往复运动式密封装置的泄漏。由于液压油的粘度随着温度的升高而降低，油膜厚度相应减小，所以液压设备在低温下启动时，运动开始时的泄漏较大，随着运动过程中因各种损失引起温度升高，泄漏量有逐渐降低的趋势。

O形圈作为往复式密封，结构紧凑、尺寸小，可以降低元件价格。主要用在：

1）低压液压元件中，一般限于短行程和10MPa左右的中等压力。

2）小直径、短行程以及中等压力的液压滑阀中。

3）气动滑阀和气动缸中。

4）作为组合式往复动密封装置中的弹性体。

O形圈作为往复动密封最适合小直径、短行程、中低压力的应用场合，气动缸、气动滑阀等往复运动元件中。在液压元件中，用O形圈作主要动密封，一般限于短行程和10MPa左右的中低压力。O形圈不适合用作速度非常低的往复动密封和单独作为高压往复动密封。这主要是因为在这种条件下摩擦较大，会导致密封过早失效。在任何型式应用中，都要根据密封件的额定数据或能力来使用，并且要装配得当，才能得到满意的性能。

3、旋转运动用密封

在旋转运动密封中，通常采用油封和机械密封。但是油封的使用压力较低，而且与O形圈相比，显得过大和复杂，工艺性也差。机械密封虽然可用于高压（40MPa）、高速（50m/s）及高温（400℃一、O型圈概述

O型圈(O-rings)是一种截面为圆形的橡胶密封圈，因其截面为O型，故称其为O型密封圈，也叫O型圈。其材料主要为丁睛橡胶或氟橡胶。O型密封圈是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种密封件。它主要用于静密封和往复运动密封。其使用速度围一般为0.005～0.3m/s。用于旋转运动密封时，仅限于低速回转密封装置。如液压挖掘机的中央回转接头的分配阀动密封机构。一般O形密封圈在旋转运动密封装置中使用较少。O形密封圈一般安装在外圆或圆上截面为矩形的沟槽起密封作用O型密封圈与其他型式密封圈比较，具有以下优点：

1）结构小巧，装拆方便；

2）静、动密封均可使用；

3）动摩擦阻力比较小；

4）使用单件O形密封圈，可对两个方向起密封作用；

5）价格低廉。

二、O型圈的标记

O型圈规格标记方法为：径Фi×线径d，比如：O形圈20*2.4，Ⅱ-2GB1235-76中，20代表大圈径为20毫米，2.4代表胶圈的截面直径是2.4毫米，Ⅱ-2代表使用的橡胶种类，GB1235代表的是标准号，76代表的是标准公布年代。

三、O型圈的应用

O型密封圈主要用于静密封和往复运动密封。用于旋转运动密封时，仅限于低速回转密封装置。O型密封圈一般安装在外圆或圆上截面为矩形的沟槽起密封作用。

O型密封圈在耐油、酸碱、磨、化学侵蚀等环境依然起到良好密封、减震作用

在机床、船舶、汽车、航空航天设备、冶金机械、化工机械、工程机械、建筑机械、矿山机械、石油机械、塑料机械、农业机械、以及各类仪器仪表上，大量应用着各种类型的密封元件。同其它密封元件相比，O形密封圈有着广泛的优势：

--适合多种密封形式：静态密封、动态密封

适合各种用途材料，尺寸和沟槽都已标准化，互换性强

--适合多种运动方式：旋转运动、轴向往复运动或组合运动（例如旋转往复组合运动）

--适合多种不同的密封介质：油、水、气、化学介质或其它混合介质

通过选用合适的橡胶材料和适当的配方设计，实现对油、水、空气、煤气及各种化学介质有效的密封作用。温度使用围广（－60℃～＋220℃），固定使用时压力可达1500Kg/cm2(与补强环并用)。

--设计简单

O形圈断面结构极其简单，且有自密封作用，密封性能可靠。

--安装方便

由于O形圈本身及安装部位结构都极其简单，且已形成标准化，因此安装更换都非常容易。

--成本低廉

--材料品种多

可以根据不同的流体进行选择：有丁腈橡胶（NRB）、氟橡胶（FKM）、硅橡胶（VMQ）、乙丙橡胶（EPDM）、氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（BU）、聚四氟乙烯（PTFE）、天然橡胶（NR）等

O型圈材质分类对照及优缺点：

1,天然橡胶NR

(NaturalRubber)由橡胶树采集胶乳制成，是异戊二烯的聚合物。具有很好的耐磨性、很高的弹性、扯断强度及伸长率。在空气中易老化，遇热变黏，在矿物油或汽油中易膨胀和溶解，耐碱但不耐强酸。•是制作胶带、胶管、胶鞋的原料，并适用于制作减震零件、在汽车刹车油、乙醇等带氢氧根的液体中使用的制品。

2,丁苯胶SBR

(StyreneButadieneCopolyme)丁二烯与苯乙烯之共聚合物，与天然胶比较，质量均匀，异物少，但机械强度则较弱，可与天然胶掺合使用。

优点：

•低成本的非抗油性材质

•良好的抗水性，硬度70以下具良好弹力

•高硬度时具较差的压缩歪

•可使用大部份中性的化学物质及干性、滋性的有机酮

缺点：

•不建议使用强酸、臭氧、油类、油酯和脂肪及大部份的碳氢化合物之中。•广用于轮胎业、鞋业、"布业及输送带行业等。

丁基橡胶IIR

(ButylRubber)为异丁烯与少量isoprenes聚合而成，保有少量不饱合基供加硫用，因甲基的立体障碍分子的运动比其它聚合物少，故气体透过性较少，对热、日光、臭氧之抵抗性大，电器绝缘性佳；对极性溶剂如醇、酮、酯等抵抗大，一般使用温度围为-54~110℃。

优点：

•对大部份一般气体具不渗透性

•对及臭氧具良好的抵抗性

•可暴露于动物或植物油或是可氧化的化学物中

缺点：

•不建义与石油溶剂，胶煤油和芳氢同时使用。•用于制作耐化学药品、真空设备的橡胶零件。

3,氢化丁睛胶HNBR

(HydrogenateNitrile)氢化丁睛胶为丁睛胶中经由氢化后去除部份双链，经氢化后其耐温性、耐候性比一般丁睛橡胶提高很多，耐油性与一般丁睛胶相近。一般使用温度围为-25~150℃。

优点：

•较丁睛胶拥有较佳的抗磨性

•具极佳的抗蚀、抗、抗撕和压缩歪的特性

•在臭氧、及其它的大气状况下具良好的抵抗性

•一般来说适用于洗衣或洗碗的清洗剂中

缺点：

•不建议使用于醇类，酯类或是芳香族的溶液之中。•空调制冷业，广泛用于环保冷媒R134a系统中的密封件。

•汽车发动机系统密封件。

4,乙丙胶EPDM

(EthylenepropyleneRubber)由乙烯及丙烯共聚合而成主链不合双链，因此耐热性、耐老化性、耐臭氧性、安定性均非常优秀，但无法硫磺加硫。为解决此问题，在EP主链上导入少量有双链之第三成份而可硫磺加硫即成EPDM，一般使用温度围为-50~150℃。对极性溶剂如醇、酮、乙二醇及磷酸脂类液压油抵抗性极佳。

优点：

•具良好抗候性及抗臭氧性

•具极佳的抗水性及抗化学物

•可使用醇类及酮类

•耐高温蒸气，对气体具良好的不渗透性

缺点：

•不建议用于食品用途或是暴露于芳香氢之中。•高温水蒸汽环境之密封件。

•卫浴设备密封件或零件。

•制动(刹车)系统中的橡胶零件。

•散热器(汽车水箱)中的密封件。

5,丁睛胶NBR

(NitrileRubber)由丙烯睛与丁二烯共聚合而成，丙烯睛含量由18%~50%，丙烯睛含量愈高，对石化油品碳氢燃料油之抵抗性愈好，但低温性能则变差，一般使用温度围为-25~100℃。丁睛胶为目前油封及O型圈最常用之橡胶之一。

优点：

•具良好的抗油、抗水、抗溶剂及抗高压油的特性。

•具良好的压缩歪，抗磨及伸长力。

缺点：

•不适合用于极性溶剂之中，例如酮类、臭氧、硝基烃，MEK和氯仿。•用于制作燃油箱、润滑油箱以及在石油系液压油、汽油、水、硅润滑脂、硅油、二酯系润滑油、甘醇系液压油等流体介质中使用的橡胶零件，特别是密封零件。可说是目前用途最广、成本最低的橡胶密封件。

6,氯丁胶CR

(Neoprene、Polychloroprene)由氯丁烯单体聚合而成。硫化后的橡胶弹性耐磨性好，不怕的直接照射，有特别好的耐大气老化性能，不怕激烈的扭曲，不怕二氯二氟甲烷和氨等制冷剂，耐稀酸、耐硅酯系润滑油，但不耐磷酸酯系液压油。在低温时易结晶、硬化，贮存稳定性差，在苯胺点低的矿物油中膨胀量大。一般使用温度围为-50~150℃

优点：

•弹性良好及具良好的压缩变形。

•配方不含硫磺因此非常容易来制作

•具抗动物及植物油的特性

•不会因中性化学物，酯肪、油脂、多种油品，溶剂而影响物性

•具防燃特性

缺点：

•不建议使用强酸、硝基烃、酯类、氯仿及酮类的化学物之中。•耐R12制冷剂的密封件。•家电用品上的橡胶零件或密封件。

•适合用来制作各种直接接触大气、、臭氧的零件。

•适用于各种耐燃、耐化学腐蚀的橡胶制品。

7,氯磺化聚乙烯胶CSM

(Hypalon、Polyethylene)氯磺化聚乙烯为杜邦公司专利的合成橡胶。耐热性、耐候性、耐臭氧性均佳；耐酸性也佳，常用于耐氧化性药品(硝酸、硫酸)之处，一般使用温度围为-45~120℃。

优点：

•对臭氧、氧化及火焰都有不错的抵抗性

•物性和氯丁胶相似且拥有较佳的抗酸性

•极佳的抗磨蚀性

•拥有和丁睛胶相同的低磨擦表面

•对于油剂及溶剂的抵抗性介于丁睛胶及氯丁胶之间

•建议使用水中来防渗漏

缺点：

•不建议暴露于浓缩的氧化酸、硝基烃、酯类、酮类及芬香氢。

8,硅橡胶SI

(SiliconeRubber)硅胶主链由硅(-si-o-si)结合而成。具有极佳的耐热、耐寒、耐臭氧、耐大气老化。有很好的电绝缘性能。抗拉力强度较一般橡胶差且不具耐油性。优点：

•经调制配方后抗强度可达1500PSI及抗撕裂性可达88LBS

•弹性良好及具有良好的压缩歪

•对中性溶剂具有良好的抵抗性

•具极佳的抗热性

•具极佳的抗寒性

•对于臭氧及氧化物的侵蚀具极佳的抵抗性

•极佳的电绝缘性能

•隔热、散热性佳

缺点：

•不建议使用于大部份浓缩的溶剂、油品、浓缩酸及经稀释后的氢氧化钠之中。•家用电器行业所使用的密封件或橡胶零件，如电热壶、电烫斗、微波炉的橡胶零件。

•电子行业的密封件或橡胶零件，如手机按键、DVD的减震垫、电缆线接头的密封件等。

•与人体有接触的各式用品上的密封件，如水壶、饮水机等。

9,硅氟橡胶FLS

(FluorinatedSiliconeRubber)硅氟橡胶为硅橡胶经氟化处理，其一般性能兼具有氟橡胶及硅橡胶的优点；其耐油、耐溶剂、耐燃料油及耐高低温性均佳，一般使用温度为-50~200℃。

优点：

•适用于特别用途，如要求能抗含氧的化学物、含芳香氢的溶剂及含氯的溶剂的侵蚀。

缺点：

•不建议暴露于煞车油，酮类及胼的溶液中•太空机件上。

10,氟橡胶FPM

(FluoroCarbonRubber)分子含氟之橡胶，依氟含量(即单体构造)而有各种类型。目前广用的六氟化系氟橡胶最早由杜邦公司以”Viton”商品名上市。耐高温性优于硅橡胶，有极佳的耐化学性、耐大部分油及溶剂(酮、酯类除外)、耐候性及耐臭氧性；耐寒性则较不良，一般使用温度围为-20~250℃型密封圈的主要失效原因及其防治措施O型圈设计、使用不当会加速它的损坏，丧失密封性能。实验表明，如密封装置各部分设计合理，单纯地提高压力，并不会造成O型圈的破坏。在高压、高温的工作条件下，O型圈破坏的主要原因是O型圈材料的永久变形和O型圈被挤入密封间隙而引起的间隙咬伤一级O型圈在运动时出现扭曲现象。1、

永久变形由于O型圈密封圈用的合成橡胶材料是属于粘弹性材料，所以初期设定的压紧量和回弹堵塞能力经长时间的使用，会产生永久变形而逐渐丧失，最终发生泄漏。永久变形和弹力消失是O型圈失去密封性能的主要原因，以下是造成永久变形的主要原因。1）压缩率和拉伸量与永久变形的关系制作O型圈所用的各种配方的橡胶，在压缩状态下都会产生压缩应力松弛现象，此时，压缩应力随着时间的增长而减小。使用时间越长、压缩率和拉伸量越大，则由橡胶应力松弛而产生的应力下降就越大，以致O型圈弹性不足，失去密封能力。因此，在允许的使用条件下，设法降低压缩率是可取的。增加O型圈的截面尺寸是降低压缩率最简单的方法，不过这会带来结构尺寸的增加。应该注意，人们在计算压缩率时，往往忽略了O型圈在装配时受拉伸而引起的截面高度的减小。O型圈截面面积的变化是与其周长的变化成反比的。同时，由于拉力的作用，O型圈的截面形状也会发生变化，就表现为其高度的减小。此外，在表面力作用下，O型圈的外表面变得更平了，即截面高度略有减小。这也是O型密封圈压缩应力松弛的一种表现。O型圈截面变形的程度，还取决于O型圈材质的硬度。在拉伸量相同的情况下，硬度大的O型圈，其截面高度也减小较多，从这一点看，应该按照使用条件尽量选用低硬度的材质。在液体压力和力的作用下，橡胶材料的O型密封圈也会逐渐发生塑性变形，其截面高度会相应减小，以致最后失去密封能力。2）温度与O型圈驰过程的关系使用温度是影响O型圈永久变形的另一个重要因素。高温会加速橡胶材料的老化。工作温度越高，O型圈的压缩永久变形就越大。当永久变形大于40%时，O型圈就失去了密封能力而发生泄漏。因压缩变形而在O型圈的橡胶材料中形成的初始应力值，将随着O型圈的驰过程和温度下降的作用而逐渐降低以致消失。温度在零下工作的O型圈，其初始压缩可能由于温度的急剧降低而减小或完全消失。在-50~-60℃的情况下，不耐低温的橡胶材料会完全丧失初始应力；即使耐低温的橡胶材料，此时的初始应力也不会大于20温度在零下工作的O型圈,应特别注意橡胶材料的恢复指数和变形指数。综上所述，在设计上应尽量保证O型圈具有适宜的工作温度，或选用耐高、低温的O型圈材料，以延长使用寿命。3）介质工作压力与永久变形工作介质的压力是引起O型圈永久变形的主要因素。现代液压设备的工作压力正日益提高。长时间的高压作用会使O型圈发生永久变形。因此，设计时应根据工作压力选用适当的耐压橡胶材料。工作压力越高，所用材料的硬度和耐高压性能也应越高。为了改善O型圈材料的耐压性能，增加材料的弹性（特别是增加材料在低温下的弹性）、降低材料的压缩永久变形，一般需要改进材料的配方，加入增塑剂。但是，具有增塑剂的O密封形圈，长时间在工作介质中浸泡，增塑剂会逐渐被工作介质吸收，导致O型密封圈体积收缩，甚至可能使O型密封圈产生负压缩（即在O型密封圈和被密封件的表面之间出现间隙）。因此，在计算O型密封圈压缩量和进行模具设计时，应充分考虑到这些收缩量。应使压制出的O型密封圈在工作介质中浸泡5~10昼夜后仍能保持必要的尺寸。O型圈材料的压缩永久变形率与温度有关。当变形率在40%或更大时，即会出现泄漏，所以几种胶料的耐热性界限为：丁腈橡胶70℃，三元乙丙橡胶100℃，氟橡胶在油中的情况就不同了。由于此时O型圈不与氧气接触，所以上述不良反应大为减少。加之又通常会引起胶料有一定的膨胀，所以因温度引起的压缩永久变形率将被抵消。因此，在油中的耐热性大为提高。以丁腈橡胶为例，它的工作温度可达120℃2、

间隙咬伤被密封的零件存在着几何精度（包括圆度、椭圆度、圆柱度、同轴度等）不良、零件之间不同心以及高压下径胀大等现象，都会引起密封间隙的扩大和间隙挤出现象的加剧。O型圈的硬度对间隙挤出现象也有明显的影响。液体或气体的压力越高，O型圈材料硬度越小，则O型圈的间隙挤出现象越严重。防止间隙咬伤的措施是，对O型密封圈的硬度和密封间隙加以严格的控制。选用硬度合适的密封材料控制间隙。常用的O型圈的硬度围是HS60~90。低硬度者用于低压，高硬度者用于高压。配用适当的密封圈保护挡圈，是防止O型圈被挤入间隙的有效方法。

3、

扭曲现象扭曲是指O型圈沿周向发生扭转的现象，扭曲现象一般发生在动密封状态。O型圈如果装配的妥善，并且使用条件适当，一般不大容易在往复在往复运动状态下产生滚动或扭曲，因为O型圈与沟槽的接触面积大于在滑动表面上的摩擦接触面积，而且O型圈本身的抗拒能力原来就能阻止扭曲。摩擦力的分布也趋向保持O型圈在其沟槽中静止不动，因为静摩擦大于滑动摩擦，而且沟槽表面的粗糙度一般不如滑动表面的粗糙度。引起扭曲损伤的原因很多，其中最主要的是由于活塞、活塞杆和缸筒的间隙不均匀、偏心过大、O型圈断面直径不均匀等造成，由于造成O型圈在一周多受的摩擦力不均匀，O型圈的*些部分摩擦过大，发生扭曲。通常，断面尺寸较小的O型圈，容易产生摩擦不均匀。造成扭曲（运动用O型圈比固定用O型圈的断面直径大就是这个道理。）另外，由于密封沟槽存在着同轴度偏差，密封高度不相等以及O型圈截面直径不均匀等现象，可能使得O型圈的一部分压缩过大，另一部分过小或不受压缩。当沟槽存在偏心即同轴偏差大于O型圈的压缩量时，密封会完全失效。密封沟槽同轴度偏差大的另一个害处是使O型密封圈沿圆周压缩不均。此外还有由于O型圈截面直径、材质硬度、润滑油膜厚度等的不均以及密封轴表面粗糙度等因素的影响，导致O型圈的一部分沿工作表面滑动，另一部分则发生滚动，从而造成O型圈的扭曲。运动用O型圈很容易因扭曲而损坏，这是密封装置发生损坏和泄漏的重要原因。因此提高密封沟槽的加工精密度以及减小偏心是保证O型圈具有可靠的密封性和寿命的重要因素。安装密封圈不应是它处于扭曲状态。假如在安装时就被扭曲，则扭曲损伤就会很快发生。在工作中，扭曲现象会将O型圈切断，产生大量漏油，而且切断的O型圈会混到液压系统的其他部位，造成重大事故。为了防止O型圈的扭曲损伤，在设计时应注意以下几点1）O型圈安装沟槽的同心度大小，应从加工方便和不产生扭曲现象两个方面来考虑。2）O型圈断面尺寸应均匀，并且在每次安装时都应在密封部位充分涂抹润滑油或润滑脂。有时也可以采用浸透润滑油的毡圈式加油装置。3）加大O型圈的截面直径，动密封用O型密封圈的截面直径一般应大于静密封用O型圈；此外，O型圈应避免用作大直径活塞的密封。4）在低压下也产生扭曲损伤时，可使用密封圈保护挡圈。5）降低缸筒和活塞杆的表面粗糙度。6）采用低摩擦系数的材料制作O型密封圈。7）可用不易产生扭曲现象的密封圈代替O型圈。4、

磨粒磨损现象当密封的间隙具有相对运动时，工作环境中的灰尘和沙粒等被粘附在活塞杆表面，并随着活塞杆的往复运动与油膜一起被带入缸，成为侵入O型密封圈表面的磨粒，加速O型圈的磨损，以致其失去密封性。为了避免这种情况发生，在往复运动式密封装置的外伸轴端处必须使用防尘圈。5、

滑动表面对O型圈的影响滑动表面的粗糙度是影响O型圈表面摩擦与磨损的直接因素。一般地