O形圈密封的原理和选用.docx
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O形圈密封的原理和选用
O形圈密封的原理和选用
O形圈密封的原理和选用中应注意什么?
泄漏的防治措施是什么?
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标准答案
O形圈密封的原理和选用中应注意什么?
泄漏的防治措施是什么?
O形橡胶密封圈适用于液压,气动系统及元件,也是液压工程中使用最广泛的一种密封件。
其材料主要为丁腈橡胶或氟橡胶。
O形橡胶密封圈(简称O形圈),其截面呈圆形,见图1所示。
图1 0形橡胶密封圈
d1-O形圈内径 d2-O形圈截面直径
(1) 特点
O形圈主要用于静密封和往复运动密封。
用于旋转运动密封装置中的O形圈实例,仅限于低速回转密封装置。
如液压挖
掘机中的中央回转接头的分配阀动密封结构。
一般O形圈在旋转运动密封装置中使用较少。
O形圈与其他型式密封圈比较,具有以下主要优点:
①结构小巧,装拆方便。
②价格低廉,体积小。
③既可用作动密封件,也可用于静密封。
④动摩擦阻力比较小。
⑤使用单件O形圈,可对两个方向起密封作用。
(2) 密封原理
1) O形圈用于静密封时的密封原理,见图2所示。
图2 O形橡胶密封圈的接触应力分布
a)空载状态 b)承载状态
O形圈装入密封槽后,其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。
在无液压力的情况下,弹性压缩变形的O形圈,在其自身具有的弹性力作用下,对接触面产生一个预接触应力p0,见图2a所示。
而当容腔内充入有压力流体后,则在液压力p的作用下,O形圈发生位移,移向低压侧,并进一步加大弹性变形,紧逼和封闭了密封间隙δ0。
此刻,作用于密封副偶合面的接触应力,上升为p0+P=Pm,从而大大增强了密封效果,见图2b所示。
当容腔内的压力介质卸压后(P=0),则由于初始装配时O形圈所具有的预接触应力p0。
的作用,仍能保证密封装置在卸压后的密封性能。
此即所谓O形圈的自封作用。
2) 往复运动用O形圈的密封原理。
图3a所示为O形圈作用于往复运动滑移面的接触情况。
基于油液的粘度及运动速度等因素的作用,沿金属滑移面和密封件间,构成一层粘附力极强的油膜。
当轴向外伸出时,油膜与轴一起探出,见图3b所示。
而当轴回程时,油膜被残留于密封件的外侧。
随着轴的频繁往复运动次数增加,残留于密封件外侧的油膜日益增厚。
最后形成油滴从轴面滴下,见图3c所示。
形成了O形圈往复运动密封装置的泄漏。
图3 油膜形成及泄漏情况
3) O形圈尺寸系列及公差见表1所示。
O形圈安装沟槽尺寸和公差见表2a、b。
O形圈的缸内径和活塞直径尺寸适用范围查阅附录C GB/T3452.3—1988。
表1 O形圈内径、截面直径尺寸及公差(摘自GB/T3452.1—1992)
d1
d2
d1
d2
d1
d2
1.80±0.08
2.65±0.09
3.55±0.10
5.30±0.13
7.00±0.15
1.80±0.08
2.65±0.09
3.55±0.10
5.30±0.13
7.00±0.15
1.80±0.08
2.65±0.09
3.55±0.10
5.30±0.13
7.00±0.15
内径
极限偏差
内径
极限偏差
内径
极限偏差
1.8
±0.13
-
11.2
±0.17
41.2
±0.36
-
-
-
2
-
11.8
42.5
-
-
-
2.2
-
12.5
43.7
-
-
-
2.5
-
13.2
45
-
-
-
2.8
±0.13
14
±0.17
46.2
±0.36
3.15
15
47.5
3.55
16
48.7
3.75
17
50
4
18
51.5
±0.44
4.5
19
±0.22
53
4.87
20
54.5
5
21.2
56
5.15
22.4
58
5.3
23.6
60
5.6
25
61.5
6
25.8
63
6.3
±0.14
26.5
65
±0.53
6.7
28
67
6.9
30
69
7.1
31.5
±0.30
71
7.5
32.5
73
8
33.5
75
8.5
34.5
77.5
8.75
35.5
80
9
36.5
82.5
±0.65
9.5
37.5
85
10
38.7
87.5
10.6
±0.17
40
90
92.5
±0.65
185
±1.20
365
±2.10
95
190
375
97.5
195
387
100
200
400
103
206
412
±2.60
106
212
425
109
218
437
112
224
450
115
230
462
118
236
475
122
±0.90
243
487
125
250
500
128
258
±1.60
515
±3.20
132
265
530
136
272
545
140
280
560
145
290
580
150
300
600
155
307
615
160
315
630
165
325
±2.10
650
±3.80
170
335
670
175
345
180
355
表2a O形圈沟槽型式(摘自GB/TI3452.3—1988)
表2b O形圈沟槽尺寸与公差(摘自GB/T3452.3—1988) (mm)
径
向
密
封
沟
槽
尺
寸
O形圈截面直径d2
1.80
2.65
3.55
5.30
7
沟槽宽度
气动动密封
2.2
3.4
4.6
6.90
9.3
液压动密封或静密封
b
2.4
3.6
4.8
7.1
9.5
b1
3.8
5.0
6.2
9.0
12.3
b2
5.2
6.4
7.6
10.9
15.1
沟槽深度l
活塞密封
液压动密封
1.42
2.16
2.96
4.48
5.95
气动动密封
1.46
2.23
3.03
4.65
6.20
静密封
1.38
2.07
2.74
4.19
5.67
活塞杆密封
液压动密封
1.47
2.24
3.07
4.66
6.16
气动动密封
1.57
2.37
3.24
4.86
6.43
静密封
1.42
2.15
2.85
4.36
5.89
最小导角长度Zmin
1.1
1.5
1.8
2.7
3.6
槽底圆角半径r1
0.2~0.4
0.4~0.8
0.8~1.2
槽棱圆角半径r2
0.1~0.3
轴向
密
封
沟
尺
寸
O形圈截面直径d2
1.80
2.65
3.55
5.30
7.00
构槽宽度b
2.6
3.8
5.0
7.3
9.7
构槽深度h
1.28
1.97
2.75
4.24
5.72
槽底圆角半径r1
0.2~0.4
0.4~0.8
0.8~1.2
槽棱圆角半径r2
0.1~0.3
沟
槽
尺
寸
公
差
*
沟槽尺寸 0形圏截面直径d2
1.80
2.65
3.55
5.30
7.00
缸内径d4
+0.06
+0.07
+0.02
+0.08
+0.11
0
0
0
0
0
沟槽槽底直径((活塞密封)d3
0
0
0
0
0
-0.04
-0.05
-0.06
-0.07
-0.09
总公差值d4+d3
0.10
0.12
0.14
0.16
0.2
活塞直径d0
f7
活塞杆直径d5
-0.01
-0.02
-0.03
-0.03
-0.04
-0.05
-0.07
-0.09
-0.10
-0.13
沟槽槽底直径(活塞杆密封)d6
+0.06
+0.07
+0.08
+0.09
+0.11
0
0
0
0
0
总公差值d5+d6
0.10
0.12
0.14
0.16
0.2
轴向密封时沟槽外径d7
h11
轴向密封时沟槽内径d8
H11
0形圈沟槽宽度b、b1、b2
+0.25
0
轴向密封时沟槽深度h
+0.10
0
注:
为适应特殊需要,d3、d4、d5 J6的公差范围可以改变,但d3+d4或d5+d6的总公差值不得超过表列数
O形圈外观质量检验的国家标准见表3所示。
表3 O形橡胶密封圈表面缺陷的最大允许极限(摘自GB/T3452.2_1987)(mm)
1. 对流痕、凹、凸缺陷在符合本表规定极限条件下:
a. O形圈圆周方向上,任一25mm以内,缺陷不许多于3处;
b. 缺陷间不许互连;
c. 缺陷间的距离小于规定的缺陷宽度极限者,缺陷不许多于3处。
2. N级:
适用于一般用途。
S级:
适用于外观质量高的场合。
NZ、SZ级:
对外观质量要求比N级、S级更严格的使用场合。
4) O形圈的拉伸量α及压缩率εc的计算。
对O形圈尺寸与沟槽尺寸的匹配,世界各国的标准都有较严格的规定。
设计时若O形圈压缩量选择过小,或加工沟槽时公差波动向压压缩量小的方向靠拢,装配后就会引起O形圈的泄漏。
如果压缩量选择过大,或加工沟槽时公差波动向压缩量大的方向靠拢,则会导致因压缩率过大而引起橡胶应力松驰,形成密封装置泄漏。
同样,O形圈装配后,若拉伸过度,也会造成因密封件过早老化而引起的密封装置泄漏。
表4所示为O形圈的拉伸量α和压缩率εc的选用范围。
表4 O形圈的拉伸量和压缩率的选取范围
密封型式
密封介质
拉伸量α/mm
压缩率εc(%)
静密封
油
1.03~1.04
15~25
空气
<1.01
15~25
往复动密封
油
1.02
12~17
空气
<1.01
12~17
旋转动密封
油
0.95~1
5~10
表4中所列数值亦可通过计算式
(1)和式
(2)计算得出。
式中的符号含义,见图4所示。
图4 不用使用条件下的O形圈设计示意图
a)静密封 b)活塞往复动密封 c)活塞杆往复动密封 d)旋转轴动密封
α=(D2+d2)/(D+d2)或(D3+d2)/(D+d2)
(1)
εc=(dc-h)/dc×100%
(2)
式中 d2——O形圈界面直径;
D——O形圈内径;D1、D2、D3,见图4所示;
h—— 密封件安装腔体的高度;
h=(D1-D2)/2或(D1-D3)/2 (3)
dc———拉伸后O形圈的实际截面直径
dc=d2√Kc/d-0.35 (4)
Kc——经验常数。
低丙烯腈含量(丁腈-18)Kc取1.25;中丙烯腈含量(丁腈-26)Kc取1.35;高丙烯腈含量(丁腈-40)Kc取1.45等。
由表4可知,动密封的压缩率小于静密封。
静密封用O形圈的压缩率极值,不应大于25%(最高35%)。
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,尤为明显。
然而压缩率也不宜过小,否则若装配部位有偏心,就会消失部分的压缩量,也会导致泄漏。
O形圈安装沟槽深度的设计,取决于O形圈所需的压缩率。
沟槽的宽度,应由使用条件而定。
通常,矩形沟槽的宽度,取O形圈截面直径的1.3 ~1.5倍。
O形圈用于静密封时,压缩量较大,沟槽宽度应取大值。
O形圈用于往复运动密封装置时,沟槽的宽度应取小值。
若用于旋转运动的密封装置时,沟槽宽度应取O形圈截面直径的1.05~1.1倍。
另外,应注意的是0形圈在旋转动密封的工况下,内径因摩擦生热而引起的“焦耳效应”会导致O形圈的内径收缩,这些都是影响O形圈密封质量的因素。
O形圈安装沟槽的宽度B及O形圈安装后与沟槽底面的接触宽度b,也可由计算式(5)、式(6)计算得出。
但此两式只适
用于εc=10%~40%的范围内。
图5 往复运动O形圈
应力分布和油膜厚度
B=[1/(1-εc)-0.6εc]d2 (5)
b=(4εc2+0.34εc+0.309)d2 (6)
图5是O形圈承受压力,在往复运动状态下的应力分布和油膜厚度。
5) 挡圈:
挡圈的作用挡圈和0形圈同时使用,其作用是为了防止在承受压力载荷后,O形圈因产生弹性变形而嵌入密封副偶合件间的缝隙。
对于动密封装置,通常当工作压力超过7MPa时,若O形圈承受单侧的介质压力,则应于低压腔一侧加一挡圈。
若0形圈双向交替受介质压力,则应于O形圈的两侧,各加一个挡圈使用。
加挡圈后的沟槽设计,可参考表2。
① O形圈用于静密封装置中,当介质压力大于32MPa时,应考虑在低压腔一侧,紧贴O形圈加一挡圈。
② 在经常承受脉冲压力的密封装置中,也应采用挡圈,以防止O形圈的异常损耗。
使用挡圈,虽然可以防止O形圈的“挤出”,但会因此增加密封装置的运动摩擦阻力。
表6-8所示,为O形圈密封装置不使用挡圈时,密封副偶件间的最大间隙允许值。
表5 不使用挡圈的最大间隙允许值 (mm)
压力/MPaO形圈硬度/HS
≤3.5
3.5~7
7~10.5
10.5~14
14~21
70
0.4
0.25
0.15
0.1
0.04
90
0.7
0.6
0.5
0.4
0.25
挡圈的类型,见表6所示。
表6 挡圈的类型
续表6
挡圈的材料挡圈使用的材料,通常为聚四氟乙烯树脂,或尼龙1010和尼龙6等。
若挡圈使用在超高压条件下,则除了要求严格控制间隙尺寸外,挡圈材料应考虑采用巴氏合金之类的软金属材料。
6) 安装:
见图6所示。
O形圈的安装质量,关系到密封装置的密封性能优劣和密封件的使用寿命。
在安装过程中,不允许0形圈被划伤和位置安装不正,以及O形圈被扭曲等情况发生。
同时,装配前各装配偶件必须严格清洗。
对于O形圈在装配过程中要通过的偶合面,必须涂敷润滑脂。
对径向孔或螺纹的部位,应用护套隔开或采取其他防护措施,使O形圈在装配时不被划伤。
对于有负压或ー侧真空的工况,也应采用图6a所示的防止O形圈被吸入孔口的防护沟槽。
图6 O形圈的装配
a) O形圈通过外螺纹的装配工具 b) O形圈通过内孔时,孔壁应倒角α
c)正压静密封沟槽 d)有负压的静密封沟槽
O形圈密封的泄漏原因及防治措施见表7所示。
表7 O形圈泄漏原因及防治措施
现象
泄漏原因
防治措施
单侧磨损
槽加工有偏心量
槽与活塞杆的滑动面—次进行加工
活塞杆的衬套间隙大
提高设计和加工质量
密封件的压缩余量不均匀衬套偏磨
避免活塞杆承受径向载荷
活塞杆局部有伤痕
及时排除伤痕或更换新活塞杆
有伤痕(安装时造成)
活塞杆头部螺的外径比0形圈内径大
改动活塞杆头部的螺纹
活塞杆滑动部分的台肩加工不良
活塞杆上台肩应排除尖角并加工圆滑,或采用专门过渡装置
0形圈槽深度过浅,0形圈因压缩余量大而损坏
将槽适当地加深
急
剧
磨
损
活塞杆表面粗糙
提高表面质量
材质不良
选用耐压、耐油、耐湿性能好的密封材料
密封橡胶硬度与工作压力不适应
采用硬度与工作压力相适应的密封橡胶
内径小
选用内径适当的O形圈
活塞杆表面伤痕
修补或更换活塞杆
被挤出
衬套的间隙大
适当缩小间隙
0形圈糟的倒角过大
适当缩小倒角
漏装保护支撑环
解体补装支撑环
0形圈硬度不符合要求
采用硬度适当的0形圈
工作压历超出预计值
调节好压力控制阀
老化
材质老化
制造时需加防老化剂,保管和使用时避免强光、高温及与氧、水等物质接触
材质与工作液性质不合适
选用适应于工作介质的O形圈材质
无异常现象但产生泄漏
0形圈的槽底直径比规定尺寸大,压缩余量不足
按图施工,加强工序间检查
0形圈槽底夹有杂物
加强工作液的过滤,提高0形圈槽的清洁度
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