O形圈材料选择与密封结构设计.pdf

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液压气动与密圭-ff2012年第2期O形圈材料选择与密封结构设计卢新波张中明（新乡平原航空液压设备有限公司，河南新乡453019）摘要：

O形圈是最常用的密封方式之一。

文章对工业产品密封胶料的选用要素进行了详细分析，并对O形圈尺寸的选择、密封沟槽设计、密封配合间隙进行了分析。

关键词：

O形圈；拉伸率；压缩率；压缩永久变形；表面粗糙度；中图分类号：

TB42文献标识码：

A文章编号：

10080813（2012）02002603ORingMaterialSelectionandSealingStructureDesignLUXinboZHANGZhong-ming（XinxiangPingyuanAirHydraulicEquipmentCo，Ltd，Xinxiang453019，China）Abstract：

0一ringsealsarethemostcommononeArticleonindustrialproductsthechoiceofsealantmaterialwasanalyzed，andthechoiceofsize0一ringsealsgroovedesign，sealingthegapwithotherrelatedfactorswereanalyzedKeyWords：

0一ring；rateofextension；rateofcompression；compression；surfaceroughhess0引言工业及民用产品中各种橡胶密封的应用十分广泛。

而在多种橡胶密封方式中，0形圈以其廉价的生产方法和易用性，应用最为广泛。

与其它密封元件相比，0形圈还具有诸多优点：

（1）结构简单，整体式沟槽设计，加工、设计费用低。

（2）结构紧凑，零件外形小。

（3）安装方便，降低了风险。

（4）可以应用于各种密封问题，如静态密封，动态密封单作用和双作用密封。

（5）材料选择范围宽，适用于绝大多数流体。

（6）便于存货，维护和修理方便。

在各不同的应用环境中，要获得完美的密封效果，材料本身的性能和密封结构的设计都非常重要。

作者通过总结多年液压、气动产品中密封设计的经验，对0形圈的材料选用及密封结构的设计进行了分析。

lO形圈胶料的选择在选择0形圈材料时，应针对产品使用要求，注意被选材料的物理、化学性能是否充分满足使用条件。

对密封材料的要求有以下几点：

收稿日期：

2011-0722作者简介：

卢新波（1983一），男，河南省新乡市人，本科，主要从事液压阀、过滤器等液压元件的设计和研究。

26

（1）抵抗工作介质侵蚀的能力强，长期工作时体积和硬度变化小。

（2）弹性要好，永久变形小。

在压力很小的情况下能紧贴在滑动表面，有效防止泄漏。

（3）摩擦系数小，耐磨性好。

（4）材料致密性好，不渗漏。

（5）具有一定的机械强度和硬度，气体、液体压力和工件运动不能使其破坏。

（6）耐高低温性能好。

在高温下不分解、软化，在低温下不硬化、脆裂。

（7）耐风化性好，在阳光或空气中不易老化。

（8）具有能与密封面贴合的柔软性和弹性，不腐蚀，不黏合在金属表面上。

（9）容易加工成型。

以上几点，几乎没有一种材料可完全符合上述要求。

因此，在选用0形圈材料时应重点考虑以下几点：

（1）工作温度。

应充分考虑极限温度和连续工作温度以及温度冲击等。

产品的长期工作温度应低于橡胶制品的使用温度上限，产品的下限工作温度应与橡胶制品的下限工作温度相一致。

（2）工作介质。

所选用的橡胶材料应能耐工作介质的长期侵蚀，作为活动密封用的橡胶制品，其耐工作介质的重量和体积变化一般为015。

（3）工作压力。

一般工作压力在lOMPa以下时橡胶的邵尔A硬度在70度以下为宜；工作压力在1021MPa万方数据T。

20。

21。

酸碱。

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mO“嘉蒿主茹名的椭圆短轴。

竺篓试验）并按相关国家标准做相应的物理、化学性能式i3）适用；嚣；吴裂福。

晶i茗蓄（苏联标准规定崤A丁DI-D粹馘如n哮。

D+d”式中D，与0形圈内径配合的轴或槽底径；式中y压缩率；。

、211拉伸率的选取通常情况（中、美、日等国）取小拉伸量，Almm，前苏联和我国航标则取大拉伸量。

但从橡胶强度方面考虑，则拉伸率越小越好，因为拉伸越大，0形圈受的应力也越大，不仅影响密封可靠性和寿命，而且不易装配。

大量的实践经验证明，最佳选择为式（4）t5略大于l，（一般在1011，最大不超过12）。

式（3）中沙取25最佳。

推荐沙在212内选取。

D大时，沙应选小些；D小时，沙可选大些。

0形圈在径向受到挤压时，为保证初始安装和低压状态下的密封效果，密封设计时应注意径向变形量的控制。

安装在内沟轴槽（做“外圆密封”）时，0表圈应设计一定的拉伸量，最大不超过5；安装在外沟槽（做“内圆密封”）时，O形圈应设计一定的径向压缩量，最大不超过1。

安装状态，若超过以上拉伸或压缩量，会导致O形圈截面尺寸过度增加或减小，影响工作寿命。

212拉伸率对压缩量的影响有两个经验公式可用来计算拉伸后O形圈的截面高度，即椭圆短轴6。

在做产品设计时。

应根据不同的应用，选择不同的压缩率，以下为几种应用的压缩率：

（1）静密封应用：

1530。

（2）动密封应用（液压）：

620。

（3）动密封应用（气压）：

4一12。

不同因素对压缩率的影响如下：

（1）截面直径d的影响。

当d小时，密封接触面小，应取较大的压缩率以保证密封；当d大时，则可取较小的压缩率以便于装配、减小摩擦和增加活动结构的灵敏度。

其他条件相同时，活动密封结构的d应选大些以减小“O形圈”的扭转、增大密封面积，从而延长使用寿命；固定密封的d应取小些，以减小结构尺寸。

另外在对低温密封性有特殊要求的产品中，应选择截径大些的“0形圈”。

（2）拉伸率的影响。

按式（6）计算压缩率，结合公式（3）（4）可看出拉伸率对压缩之间的关系。

当拉伸率较大时，为弥补拉伸产生的压缩率降低，此时可将压缩率27万方数据液压气动与密封2012年第2期相应地取大些（详情见212）。

（3）橡胶硬度的影响。

硬度低的橡胶能经受较大的变形，可取较大的压缩率，而硬度高的橡胶则相应的取较小的压缩率。

（4）压缩永久变形的影响。

压缩永久变形是反映橡胶性能的一个重要的参数。

压缩永久变形小的橡胶，可取较小的压缩率；反之，则应取较大的压缩率，以弥补永久变形，从而保证良好的密封性。

（5）压力和温度。

使用压力高的结构密封圈应取较大的压缩率，反之则取小值。

在高温下因橡胶的膨胀系数比金属大十几倍，故应适当取小的压缩率。

但要注意验算低温下的压缩率，保证其不低于最小压缩率，以保证在整个工作温度范围内均能可靠密封。

（6）摩擦影响。

静密封可选取较大的压缩率，而动密封，因要求有较高的灵敏度，要求摩擦力尽可能的小，应选取较小的压缩率。

23O形圈槽宽设计O形圈及沟槽的尺寸系列，有多种标准可查。

国家标准主要有：

GB34521（液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸）；GBT34523（液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸）；国际标准有IS03601。

231轴孔密封时槽宽设计正常情况下，轴孔密封时沟槽宽度必须大于O形圈截径d，以保证其有自由变形的余地，槽宽公式为：

B=Kld（5）式中K槽宽系数，参照表1。

卜O形圈截径。

表11420131144l16-129122一1332436I29一133123一l3311112117124-86128133107一132112114115-I18小槽宽的优点是密封尺寸结构紧凑，但槽的空间不够大，O形圈不能自由变形，往往会受到槽侧壁的阻挡而处于四面受挤的状态，受力条件恶劣并增加了O形圈挤人间隙而损坏的可能性，使其寿命与可靠性大大下降。

从装卸的角度出发，也倾向于大槽宽设计。

但槽宽过大，易导致O形圈扭曲、翻转，从而影响密封效果，因此，槽宽的设计应根据产品设计的实际情况，从多方面进行综合考虑。

2312端面静密封时槽宽与压缩率O形圈在轴向受到挤压。

在压力作用下，O形圈会28产生径向蠕动，密封设计时要注意压力的方向。

若压力来自内侧。

则O形圈的外径应与沟槽的外径接触（其周长压缩小于1）。

若压力来自外侧，则O形圈的内径应与沟槽的内径接触最大允许拉伸3。

压缩率按公式1计算（15一30）、沟槽宽度可依据公式5（K值取12125）进行计算。

233O形圈溶胀对槽宽的影响当O形圈和流体接触时，会吸收一定数量的流体，其溶胀性随不同流体而变化。

O形圈沟槽的体积应适应O形圈溶胀以及由于温度升高而产生的O形圈膨胀。

本标准以体积溶胀值为15来计算沟槽宽尺寸b对于静密封情况允许采用体积溶胀值为15的密封材料。

对于动密封情况，推荐使用低溶胀值的O形圈材料，但应始终避免负溶胀，即“收缩”现象出现。

当采用体积溶胀值大于15的密封材料时，沟槽宽度应适当增加。

24沟槽表面粗糙度值的选择在压力作用下，O形圈将贴紧在密封表面。

对气体或液体密封的紧配合静密封，密封表面应满足一些基本的要求。

密封表面上不得有开槽、划痕、凹坑、偏心或螺旋状的加工痕迹。

对于动密封，配合面的粗糙度值要求更高。

按照DIN4768、IS01302和GBT34523标准中对表面粗糙度值的规定，沟槽和配合件表面的粗糙度值可参考表2。

表225O形圈挤出极限与间隙O形圈在沟槽中受到压力时，会发生变形，流向间隙位置，达到密封效果。

也就是说，随着压力的增加，O形圈会发生更大的变形，其应力也增加，获得更紧的密封。

在O形圈承受高压的情况下，会被挤入到间隙中，造成密封失效。

设计时，应使间隙尽可能小。

挤出间隙的极限大小取决于O形圈的硬度、工作压力及沟槽间隙大小。

一般情况下，O形圈沟槽的径向间隙必须保持在图l所示范围内，否则会导致O形圈从间隙中挤出。

万方数据镶装式硬质合金密封环的压力变形研究张杰李鲲吴兆山丁思云李香郑国运（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥230031）摘要：

应用有限元分析研究了镶装式硬质合金密封环的密封压力变形情况。

研究结果表明，镶装结构使密封环产生了较大的力变形密封压力使密封端面产生了较小的负锥度变形。

镶装式结构能显著减小密封端面的密封压力变形，提高机械密封的可靠性。

关键词：

机械密封；镶装式硬质合金环；压力变形，有限元分析中图分类号：

TB42文献标识码：

A文章编号：

10080813（2012）02002905StudyonPressureDeformationofMountedHardAlloySealRfingZHANGJieLIKun彤UZhao-shanDINGSi-yunLIXiangZHENGGuo-yun（HefeiGeneralMachineryResearchInstitute，Hefei230031，China）Abstract：

ThepressuredeformationofmountedhardalloysealringwasstudiedusingfiniteelementanalysisTheresultsshowthatalargemechanicaldeformationiscausedbymountedstructuralelement，andaneglectabledivergentsealinggaponsealingfaceiscausedbysealedpressureThemountedstructuralelementcanreducethepressuredeformationofsealingfaceandimprovethemechanicalsealreliabilityKeyWords：

mechanicalseal；mountedhardalloysealring；pressuredeformation；finiteelementanalysis0引言硬质合金由于硬度高、导热系数低，作为良好的摩基金项目：

国家十二五科技支撑计JatJ（2011BAF09805）；国家重点基础研究专项经费资11J（973计划，2010CB736006）。

收稿日期：

2011-1018作者简介：

张杰（1982一），男，博士后，工程师，现主要从事流体机械与机械密封的研发工作。

擦副材料被广泛用于制造各种型式各种工况下的密封环，常被用作密封硬环【1。

但由于硬质合金脆性大且价格高为了节约成本和保证密封环的机械强度常采用镶装式硬质合金环代替整体硬质合金环。

镶装式硬质合金环的硬质合金与镶装环座采用过盈联接。

过盈联接的过盈量选取直接关系到密封性能好坏，如果过盈量太小，会导致密封环和环座的相对转动和脱离。

以及+-+一+-+一+一+-+-+-+一+-+-+-+-+一。

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+一一+-+-+一+-+-+-+一+-+-+-+-+一十一+-+-+-+-+一+-+-+-+-+l500030001500ll、LIlN、O形圈挤出无挡圈N二无挤出l、入、，、Il硬度邴氏AN70*l8叭办幽l对系统压力大于5MPa且O形圈内径大于50mm，以及压力大于IOMPa且内径小于50mm，推荐使用挡圈。

3结束语O形圈密封做为最常用的密封方式之一无论是在标准或特殊的应用场合，通过对弹性体（橡胶类）材料的选择，O形圈可以密封几乎所有的液体或气体介质。

其密封材料的选择、沟槽设计、配合间隙、表面光洁度及压缩率、拉伸率等相关因素均可对密封效果产生极大的影响，因此在产品设计时，务必要根据其使用环境、工作介质及工作寿命、温度等技术进行合理的选择，且要选择适当的O形圈规格，以期达到最为理想的密封效果。

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中国标准出版社，2002路甬祥主编液压气动技术手册彻北京：

机械工业出版社，2002吴宗泽机械零件设计手册M北京：

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化学工业出版社，198129圜阿吲网同吲嘲万方数据