密封结构设计规范初稿.docx
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密封结构设计规范初稿
密封结构设计规范
新黎明科技股份有限公司
密封结构设计规范
1适用范围
本设计规范适用于灯具、电器等设备外壳防护用密封圈的静密封结构设计。
2引用标准或文件
GB/T3452.1-2005液压气动用O形橡胶密封圈第1部分：
尺寸系列及公差
GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸
GB/T6612-2008静密封、填料密封术语
JB/T6659-2007气动用0形橡胶密封圈尺寸系列和公差
JBT7757.2-2006机械密封用Ｏ形橡胶圈
JB/ZQ4609-2006圆橡胶、圆橡胶管及沟槽尺寸
《静密封设计技术》（顾伯勤编著）
3定义
3.1密封：
指机器、设备的连接处没有发生泄露的现象（该定义摘自《静密封设计技术》）。
3.2静密封:
相对静止的配合面间的密封。
密封的功能是防止泄漏。
3.3泄漏:
通过密封的物质传递。
造成密封泄漏的主要原因：
（1）机械零件表面缺陷、尺寸加工误
差及装配误差形成的装配间隙；
（2）密封件两侧存在压力差。
减小或消除装配间隙是阻止泄漏的主要途径。
3.4接触型密封：
借密封力使密封件与配合面相互压紧甚至嵌入，以减小或消除间隙的密封。
3.5密封力（或密封载荷）：
作用于接触型密封的密封件上的接触力。
3.6填料密封：
填料作密封件的密封。
3.7接触压力：
填料密封摩擦面间受到的力。
3.8密封垫片：
置于配合面间几何形状符合要求的薄截面密封件。
按材质分有：
橡胶垫片，金属垫
片、纸质垫片、石绵垫片、塑料垫片、石墨垫片等。
3.9填料：
在设备或机器上，装填在可动杆件和它所通过的孔之间，对介质起密封作用的零部件。
注：
防爆产品电缆引入所指的填料在GB3836.1附录A2.2条中另有定义，指粘性液体粘接材料。
3.10压紧式填料：
质地柔软，在填料箱中经轴向压缩，产生径向弹性变形以堵塞间隙的填料。
3.11密封圈：
电缆引入装置或导管引入装置中，保证引入装置与电缆或导管与电缆之间的密封所使
用的环状物（该定义摘自GB3836.1第3.5.3条对防爆产品电缆密封圈的定义）。
3.12衬垫：
用于外壳接合处，起外壳防护作用的可压缩或弹性材料。
（该定义摘自GB3836.1第6.5
条和GB3836.2第5.4条对防爆产品密封衬垫的定义）。
3.13压缩率：
加载时，材料的厚度压缩量与初始厚度之比。
也称作压缩比。
注1：
上述术语除3.1、3.11和3.12条外，其余均摘自《GB/T6612-2008静密封、填料密封术语》。
注2：
本规范所述的密封圈泛指用于密封作用的橡胶密封圈或橡胶密封垫片。
4灯具常见密封结构型式
4.1灯具及电器设备外壳防护常见密封型式一般均属于静密封。
4.2灯具使用密封圈进行外壳防护密封的结构型式常分为平面密封、轴向密封、径向密封。
（1）平面密封：
密封圈承受的压力方向垂直于密封接触面的密封结构，见图1。
图1平面密封
（2）轴向密封：
O型橡胶密封圈承受的压力方向平行于密封件回转轴线方向的密封结构，密封位置在轴或孔的端面。
见图2。
图2轴向密封
（3）径向密封：
O型橡胶密封圈承受的压力方向垂直于密封件回转轴线方向的密封结构，密封位置在轴或孔的径向。
见图3。
图3径向密封
5静密封基本原理
5.1密封泄露主要形式
密封泄露主要形式有两种：
渗透泄露、界面泄露。
5.2渗透泄露失效机理
密封件材料多孔、组织疏松、致密性差、产生裂纹时，内部组织之间会存在微小孔隙，容易被密封介质浸透，存在压力差时，被密封的介质会透过材料内部的孔隙渗透出来。
材料内部微小孔隙与流体分子直径、流体的表面张力、作用在密封表面的流体压力差有关。
当最小密封间隙大于流体分子直径时，作用在密封表面的流体压力大于流体的表面张力时，就会发生毛细孔渗露现象。
以下是比较典型的毛细间隙渗露现象：
（a）铸件砂眼、裂纹：
尤其是砂铸壳体中砂眼，裂纹。
（b）塑胶嵌件裂纹：
（c）电缆铜芯、导线之间毛细间隙：
如带电缆灯具的电缆芯线间隙在负压下可以吸水。
5.3界面泄露失效机理
作用在密封圏上的压应力不足，流体、气体介质压力P1大于密封接触面的最小密封接触力P2时，在密封接触表会发生界面泄露。
见下图4示意：
图4最小密封接触力
密封接触面的最小密封接触力的大小与橡胶压缩弹性应力、壳体最大变形应力、壳体密封槽与橡胶密封件尺寸极限公差大小有关。
以下是比较典型的界面泄露现象：
（1）无损泄露。
橡胶密封圈没有发生任何损坏的情况下而产生的泄露。
橡胶密封圈与密封圈安装沟槽的尺寸不匹配、密封面粗糙、机械变形、振动、高温或低温变形等原因造成密封圈安装后的压缩率太小没有产生足够的压力，密封面不能紧密贴合而产生的泄露。
（2）老化变形。
橡胶密封圈长时间存在或长时间在高温、低温及介质压力的作用下，弹性降低，产
生塑性变形后，不能恢复到初始状态，密封效果下降；当塑性变形率大于40%时，密封圈失去密封能力，最终发生泄露。
（3）表面损伤。
摩擦与摩损、密封零件表面粗糙、划痕、棱角边切伤、密封圈变形压缩率过大等原
因造成密封圈损伤或损坏，或工作环境的灰尘和杂质积聚在密封圈两侧形成磨料，加速密封圈磨损，使密封效果降低或失效。
（4）扭曲泄露。
装配中橡胶密封圈沿周向发生扭转或扭曲而产生的泄露。
密封圈扭曲后，其不同部
位的密封高度会不相等，使密封圈各部分所受压缩变形不等，使密封效果降低或失效。
（5）间隙咬伤。
密封配合件之间存在着一定的间隙，橡胶密封圈在装配时或高压介质挤压作用下被
挤入间隙而咬伤、剪切或撕裂而导致密封效果降低或失效。
（6）介质腐蚀。
密封圈橡胶材料与密封介质的相容性不好而出现密封圈的体积、硬度、强度、塑性
和重量等发生变化以及橡胶料发生腐蚀损烂，使密封效果降低或失效。
5.4影响泄露的主要因素
（1）被密封介质的物性参数。
采用同样的密封连接结构，相同的工况条件，被密封介质不同，其泄露率不同。
气体的泄露率大于液体的泄露率，氢气的泄露率大于氮气的泄露率。
被密封流体的粘度越大，其泄露阻力就越大，其泄露率就越小。
（2）工况条件影响。
密封工况条件主要包括介质的压力和温度。
压力越大，泄露阻力越小，泄露率越大；橡胶回弹性能随温度升高面下降，蠕变量随温度升高而增大，老化，松弛会严重。
液体粘度会降低，温度越高，泄露越容易发生。
（3）密封表面粗糙度影响。
表面粗糙度越小，泄露率越小。
（4）最小密封接触力的影响。
最小密封接触力越大，泄露率越小。
（5）密封圈材料基本性能及密封结构尺寸的影响。
密封圈材料基本性能包括两部分，
（一）密封圈的力学性能（压缩回弹性、蠕变、应力松弛特性等物料性能）；
（二）密封性能（材料组织致密性、压紧残余应力与温度的关系等性能）。
密封结构尺寸是指密封圈和密封槽的结构尺寸。
密封圈越厚，其压缩量越大，界面泄露率越小，但渗透泄露截面积变大，渗透泄露增大。
密封圈宽度越大，其泄露阻力通道越长，泄露率越低，但密封圈的表面积增大，其表面最小密封接触力会越大，宽密封圈的螺栓紧固力则会增大。
5.5静密封结构的三个基本要素
（1）压力：
指密封接触面的密封接触力。
见上图4所示。
最小密封接触力要求：
P2＞P1。
尽量减小密封面装配间隙，减少密封接触面的界面泄露途径。
（2）密封圈横截面积：
密封槽横截面积和密封圈横截面积计算如下：
（a）平面密封结构图示，见下图5
图5端面密封结构图示
S圈=A×B;S槽=C×D
（b）O型橡胶圈轴向密封结构图示，下图6
图6轴向密封结构图示
S圈=πA2/4;S槽=C×D
（c）O型橡胶圈径向密封结构图示，见下图7
图7径向密封结构图示
S圈=πA2/4;S槽=C×（φD–φd）/2
密封圈及其沟槽尺寸设计要求：
S槽≥S圈。
尽量减小密封面装配间隙，减少密封接触面的界面泄露。
结构设计中应防止密封圈被压溃损坏失效。
实际设计计算时，应根据密封圈和密封槽的尺寸公差分别计算出密封圈和密封槽的最大横截面积和最小横截面积，并计算出密封圈在密封槽中的最大截面积占比和最小截面积占比。
通常，密封圈在密封槽中的截面积占比为70%～85%之间（详见后面表5～表7分析）。
（3）橡胶密封圈压缩率（即压缩比）：
（a）端面密封（见图5尺寸）：
压缩量：
△X=B-C
压缩率：
δ=△X/B×100%
（b）轴向密封（见图6尺寸）：
压缩量：
△X=A-C
压缩率：
δ=△X/A×100%
（c）径向密封（见图7尺寸）：
压缩量：
△X=A-（φD–φd）/2
压缩率：
δ=△X/A×100%
防止泄漏方法：
合理选取密封圈材质、硬度，保证密封面有足够的压缩率，并使密封圈最大压
率不超出材料的弹性形变范围。
实际设计计算时，应根据密封圈和密封槽尺寸公差分别计算出密封圈的最大压缩率和最小压缩率。
6密封结构设计步骤
6.1明确密封圈使用条件
（1）明确密封圈使用环境条件：
灯具安装在室内还是室外、环境温度、污染油污、腐蚀气体和液体、耐磨、振动、结晶、聚合、光分解等条件。
（2）明确密封圈工作参数要求：
灯具工作温度、灯腔压力、开启次数、维护要求、防护等级。
（3）明确灯具使用要求：
灯具形状尺寸、密封部位结构尺寸要求和安装维护要求。
6.2确定密封圈材料
根据6.1条密封圈使用条件选择合适的密封圈材料。
常用橡胶圈的材料及代号见下表1：
注：
表1内容摘自《JB/T7757.2-2006机械密封用O形橡胶圈》。
各种橡胶材料的主要特点和使用温度见下表2：
注：
表2内容摘自《JB/T7757.2-2006机械密封用O形橡胶圈》。
各种橡胶胶料硫化胶的物理性能见下表3：
注：
表3内容摘自《JB/T7757.2-2006机械密封用O形橡胶圈》。
6.3确定密封结构型式和密封圈形状
（1）确定密封结构型式。
根据6.1条使用条件确定密封结构型式，当密封结构尺寸要求较小（最小压缩量受尺寸限制）、外壳防护等级要求不高于IP66时，采用O形圈径向密封结构比较简单。
当密封结构尺寸要求较大，外壳防护等级要求在IP65及以上时，一般多采用平面密封，或采用O形圈密封轴向密封。
平面密封圈主要结构如图8所示。
注1：
（h）、（k）、（l）三种密封圈结构对法兰端盖螺栓预紧力计算要求较高，以防止密封圈长期处于较大压应力作用下压缩后发生永久变形，一般密封结构设计不推荐使用。
注2：
图8摘自《静密封设计技术》第七章。
（2）确定密封圈形状和尺寸。
平面密封形状根据结构需要可设计为矩形密封圈、异形密封圈和O形圈。
轴向密封和径向密封均选用O形圈。
O形圈尺寸按《GB/T3452.1-2005液压气动用O形橡胶密封圈第1部分：
尺寸系列及公差》中表2要求选择合适直径的密封圈。
6.4设定密封圈压缩率（即压缩比）
参考《静密封设计技术》第七章“真空和低温密封设计”内容，当橡胶邵氏硬度在50HA以上、最小压缩比15%时，无论密封圈形状如何，其气体渗透率可小于1.33×107Pa·L/s。
该渗透率可满足普通真空系统的要求。
我国通常把压缩比15%定为真空橡胶密封的最小压缩比。
下表4为国外部分国家真空密封设计常采用的压缩比，供参考。
表4部分国家真空密封设计常采用的压缩比
国家
橡胶密封圈压缩比
国家
橡胶密封圈压缩比
日本
Ø12mm～Ø400mm时采用25%
英国
12.5%～42%时，常用25%,
小尺寸矩形时采用42%
大尺寸矩形时采用12.5%
Ø400mm～Ø1000mm时采用30%
瑞士
采用40%
前苏联
矩形采用25%
德国
采用40%
圆形或较大尺寸矩形采用20%
中国
最小压缩比15%
由《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》径向密封沟槽尺寸（表1）可计算出以下关系表5：
表5径向密封圈压缩量
密封圈直径（mm）
1.8
2.65
3.55
5.3
7
密封圈半径（mm）
0.9
1.33
1.78
2.65
3.5
密封圈截面积A1（mm2）
2.54
5.52
9.9
22.06
38.48
沟槽深度（mm）
1.32
2
2.9
4.31
5.85
沟槽宽度（mm）
2.4
3.6
4.8
7.1
9.5
密封槽截面积A2（mm2）
3.17
7.2
13.92
30.6
55.58
截面积之比（A1/A2）
0.8
0.77
0.71
0.72
0.69
压缩率
0.27
0.25
0.18
0.19
0.16
由《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》轴向密封沟槽尺寸（表2）可计算出以下关系表6：
表6轴向密封圈压缩量
密封圈直径（mm）
1.8
2.65
3.55
5.3
7
密封圈半径（mm）
0.9
1.33
1.78
2.65
3.5
密封圈截面积A1（mm2）
2.54
5.52
9.9
22.06
38.48
沟槽深度（mm）
1.28
1.97
2.75
4.24
5.72
沟槽宽度（mm）
2.6
3.8
5
7.3
9.7
密封槽截面积A2（mm2）
3.2
7.49
13.75
30.95
55.48
截面积之比（A1/A2）
0.8
0.74
0.72
0.71
0.69
压缩率
0.29
0.26
0.23
0.2
0.18
由《JB/ZQ4609-2006圆橡胶、圆橡胶管及沟槽尺寸》中沟槽尺寸（表1）可计算出以下关系表7：
表7
密封圈直径（mm）
3
4
5
6
8
10
12
14
17
20
密封圈半径（mm）
1.5
2
2.5
3
4
5
6
7
8.5
10
密封图截面积A1（mm2）
7.07
12.57
19.64
28.27
50.27
78.54
113.1
153.94
226.98
314.16
沟槽深度（mm）
2.2
3
3.8
4.8
6.6
8.6
10.5
12.4
15.3
18
沟槽宽度（mm）
3.8
5.7
7.7
7.7
11.7
13.6
15.6
19.6
21.6
24.6
密封槽截面积A2（mm2）
8.36
17.1
29.26
36.96
77.22
116.96
163.8
243.04
330.48
442.8
截面积之比（A1/A2）
0.85
0.73
0.67
0.77
0.65
0.67
0.69
0.63
0.69
0.71
压缩率
0.27
0.25
0.24
0.2
0.18
0.14
0.13
0.11
0.1
0.1
综合表5、表6、表7内容可得出结论：
在考虑密封圈和密封槽尺寸加工公差和装配公差等因素影响下，橡胶密封圈压缩率一般控制在20%~30%范围内比较合理。
硬度则按图9要求确定。
6.5确定密封圈硬度
参考《静密封设计技术》第七章“真空和低温密封设计”中橡胶密封圈压缩比与硬度之间关系图，下图9，一般可以根据图中曲线2来确定橡胶密封圈的压缩比。
注：
图9内容摘自《静密封设计技术》第七章。
设计举例：
说明密封圈压缩率计算和硬度选择。
见下图10密封槽、密封圈结构尺寸。
图10密封槽、密封圈结构尺寸
密封槽尺寸：
槽宽：
13.0mm槽深：
（4.5±0.2）mm平面度：
0.1粗糙度：
3.2
密封圈尺寸：
宽度：
（8.0±0.2）mm高度：
（6.5±0.2）mm
S圈=6.5×8=52mm2S槽=13×4.5=58.5mm2
即：
S槽>S圈，说明密封槽和密封圈截面积设计合理。
最大压缩量：
△Xmax=（6.5+0.2）-（4.5-0.2）=2.4mm
最小压缩量：
△Xmin=（6.5-0.2）-（4.5+0.2）=1.6mm
最大压缩率：
δ=△Xmax/（6.5+0.2）×100%=2.4/6.7×100%=35.8%
最小压缩率：
δ=△Xmin/（6.5-0.2）×100%=1.6/6.3×100%=25.4%
当密封圈压缩率范围：
25.4%～35.8%，从图9中曲线2可看出应选用邵氏硬度20HA~60HA的
橡胶密封圈较为合理，以防止密封圈长期受压而发生塑性变形老化失效。
平面密封结构中，发泡橡胶密封圈材料首选硅橡胶，其它材料可结合灯具实际使用环境合理选择。
邵氏A硬度一般大于15度，硬度大小主要看发泡程度（发泡粒径、个数等），硬度越低，工艺越难控制。
发泡橡胶密封条截面形状多为实心，与透明件接触的截面形状可为波浪形、圆弧形、V形、矩形等，底面少量场合可采用异形结构。
6.6密封结构设计
6.6.1平面密封结构设计
（1）槽密封结构：
如图8中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）密封形式。
（a）矩形槽：
其结构如下图11所示：
图11矩形槽
矩形槽尺寸可由下式确定：
式中：
b—槽宽c—槽深；
H—矩形密封圈高度B—矩形密封圈宽度假；
d—O形圈直径；
—决定死区的无因次系数，即密封圈压入密封槽后留下的死区空隙系数。
举例：
若设定橡胶密封圈压缩率为28%（邵氏硬度40HA～60HA），即C/H=1-28%=72%，或c/d=1-28%=72%，亦即c=0.72H或c=0.72d。
假设k=1.05（死区为5%）。
从而计算可得：
矩形密封圈槽尺寸：
c=0.72H，b=
HB/c=1.05HB/0.72H=1.46B
O形圈密封槽尺寸：
c=0.72d，b=1.05×3.14d2/（4×0.72d）=1.15d
目前采用的标准矩形槽尺寸可参考下表8：
注：
表8内容摘自《静密封设计手册》第七章第1节“真空和低温密封设计”。
（b）梯形槽：
O形圈用密封槽常有三种形式，如下图12所示。
图12（a）为燕尾槽，C/d=0.75~0.80；A/d=0.9。
图12（b）为开口梯形槽。
图12（c）为平行边梯形槽，相比燕尾槽容易加工，其尺寸可按下式求得：
式中：
dmin和dmax—分别为O形圈最小及最大直径。
图12梯形槽
也可以设计为底部为圆弧形的梯形槽，如图13所示。
图13底部为圆弧槽的梯形槽
推荐的梯形槽尺寸可参考下表9：
注：
表9内容摘自《静密封设计手册》第七章第1节“真空和低温密封设计”。
（2）其它形状的槽密封结构，如锥面密封结构、阶梯槽密封结构等设计方法在灯具密封结构中不常见。
其常见结构详见《静密封设计手册》第七章相关内容。
6.6.2轴向密封结构设计
（1）受内部压力的沟槽型式，见《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》图4规定。
（2）受外部压力的沟槽型式，见《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》图5规定。
（3）轴向密封沟槽尺寸，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》表2和6.22条要求的规定。
（4）轴向密封沟槽外径和沟槽内径尺寸，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》第5.2.2规定。
（5）沟槽尺寸公差，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》表3的规定。
（6）沟槽的同轴度公差，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》第5.4条规定。
（7）密封沟槽和配合偶件表面的粗糙度，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》中表4的规定。
6.6.3径向密封结构设计
（1）径向密封的活塞密封沟槽型式，见《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》图1所示。
（2）径向密封的活塞杆密封沟槽型式，见《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》图2所示。
（3）径向密封的沟槽尺寸，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》中表1的规定。
（4）径向密封沟槽槽底直径，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》第5.1.2条规定。
（5）沟槽尺寸公差，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》表3和6.2.1条的规定。
（6）沟槽的同轴度公差，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》第5.4条规定。
（7）密封沟槽和配合偶件表面的粗糙度，应符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》中表4的规定。
（8）径向静密封O形圈适用范围，应符合GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》中表5的规定。
7密封结构设计原则
7.1实际设计计算时，应根据密封圈和密封槽尺寸公差分别计算出密封圈的最大压缩率和最小压缩率。
在考虑密封圈和密封槽尺寸加工公差和配合公差、变形等因素影响下，橡胶密封圈压缩率一般控制在20%~30%范围内比较合理，见表5～7分析。
根据图9压缩率与硬度之间关系图曲线2所示，橡胶密封圈硬度选择在邵氏硬度40HA～80HA之间较好。
对于厚度2mm～3mm平橡胶垫片，将其压缩率控制在15%~20%，防止平垫片太软受挤压后被挤出密封面，可将硬度可选在75HA～85HA之间。
7.2实际设计计算时，应根据密封圈和密封槽尺寸公差分别计算出密封圈和密封发槽的最大横截面积和最小横截面积，并计算出密封圈在密封槽中的最大截面积占比和最小截面积占比。
通常，密封圈在密封槽中的截面积占比为70%～85%之间（详见表5～表7分析）。
7.3橡胶密封O形圈选型优先符合《橡胶类零部件（物料）设计规范》中优选表的要求。
7.4橡胶密封O形圈尺寸选择应符合《GBT3452.1-2005液压气动用O形橡胶密封圈第1部分尺寸系列及公差》中表2系列尺寸要求。
7.5径向密封、轴向密封沟槽尺寸设计应优先符合《GB/T3452.3-2005液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸》中表1和表2要求尺寸。
7.6选用硅橡胶密封圈材料时，需在技术要求中明确提出二次硫化要求。
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