基于水下設(shè)備的O形密封圈選型和設(shè)計

柳初萌，顧靖華

隨著人類對海洋資源不斷地開拓利用，應(yīng)用于水下的設(shè)備也越來越多樣化。由于水下作業(yè)具有深度大、時間長和復(fù)雜性高等特點，且直接關(guān)系到人身安全，因此人們對水下設(shè)備的可靠性和安全性提出了越來越高的要求。其中，密封設(shè)計是保證水下設(shè)備正常使用、安全可靠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。密封泄漏或失效，輕者使裝備不能正常工作，重者會使裝備產(chǎn)生腐蝕或破壞，甚至危及人員生命安全。O形密封圈作為保證密封性的重要措施，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)加以重點考慮。本文以水下環(huán)境為基礎(chǔ)，針對具體的閥件閥桿，對O形密封圈的密封方式、密封圈材質(zhì)作比較選擇，對密封圈的尺寸及對應(yīng)溝槽的參數(shù)進行設(shè)計計算。

1 O形密封圈的分類及選材

1.1 密封的分類 根據(jù)接觸面間的相對運動狀態(tài)，密封可分為動密封和靜密封［1］，如圖1所示。動密封是指密封接合面之間有相對運動，如旋轉(zhuǎn)密封和活塞缸體密封等;靜密封是指密封面之間沒有相對運動的密封。O形密封圈主要安裝于密封溝槽中，既可用于靜密封，也可用于動密封。在密封介質(zhì)存在微壓時，O形密封圈依靠預(yù)壓縮變形后的彈性力，對密封接觸面施以一定的壓力，從而達到密封目的。與其他密封元件相比，O形密封圈具有諸多優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計、加工成本低;安裝方便，風(fēng)險較低;便于存放、維護和修理;材料選擇范圍廣，可適用于各種不同環(huán)境。

圖1 密封的分類

1.2 O形密封圈的材料選擇 為了滿足耐溫、耐壓、耐摩擦等要求，O形密封圈較多選用具有彈性及優(yōu)良性能的合成橡膠材料。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的新型復(fù)合材料得到了應(yīng)用，當(dāng)O形密封圈的使用溫度和壓力超過合成橡膠的耐受值時，合成樹脂如四氟乙烯、尼龍等成為較理想的材料。

陸上設(shè)備通常工作在常規(guī)的大氣環(huán)境下，密封設(shè)計的原則主要是保證設(shè)備內(nèi)部工作環(huán)境與大氣環(huán)境的隔絕，并不需要過多地考慮周圍環(huán)境對設(shè)備本身及相應(yīng)密封元件造成的侵蝕。而水下設(shè)備大多工作在海水環(huán)境中，工作深度從幾十米到幾百米，設(shè)備不僅要承受內(nèi)部高壓，還要承受外界海水壓力。同時，水下設(shè)備直接暴露在海水中，密封元件不僅要耐壓，還要耐海水腐蝕。所以，水下設(shè)備不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要緊湊，在材料選擇上也要考慮海水的腐蝕問題。

針對海洋水下環(huán)境的特殊要求，需要O密封形圈具有耐壓、耐油、耐低溫、耐磨損、耐腐蝕等特點［2］。橡膠O形密封圈性能穩(wěn)定，能夠滿足上述要求，且具有出色的記憶特性，其總是傾向于恢復(fù)初始的截面形狀，從而產(chǎn)生對接觸面的壓緊力。在較小的接觸壓力下，橡膠O形密封圈能填充接觸面的凹凸不平，形成密封面，從而保證密封性能。另外，在選擇橡膠O形密封圈材料時還應(yīng)重點考慮以下幾個方面:(1)工作介質(zhì)。所選用的橡膠材料應(yīng)能耐受工作介質(zhì)的長期浸泡和腐蝕。(2)工作溫度。應(yīng)充分考慮極限溫度、連續(xù)工作溫度以及溫度突變等因素。(3)工作壓力。一般工作壓力在10 MPa以下時，橡膠的邵氏A硬度在70度以下為宜;工作壓力在10～20 MPa時，硬度在70～80度為宜;工作壓力在大于20 MPa時，硬度在80度以上為宜。

2 橡膠O形密封圈的密封機理及溝槽設(shè)計

2.1 密封機制 橡膠O形密封圈安裝在溝槽和被密封面之間，由于空間的限制，受到一定的壓縮變形。橡膠的穩(wěn)定性能使O形密封圈在形變后回復(fù)到原始狀態(tài)，從而產(chǎn)生了對接觸面的反彈預(yù)緊力，稱為預(yù)密封。水體介質(zhì)壓力作用在橡膠O形密封圈上，通過形變的橡膠材料傳遞給接觸面，隨著介質(zhì)壓力的不斷增大，接觸面的壓力大于內(nèi)壓，形成自緊密封。

2.2 O形橡膠圈的選擇及溝槽設(shè)計 O形圈密封具有密封性可靠，密封部位簡單，易拆卸，運動摩擦阻力小等特點，在水下設(shè)備中廣泛使用。影響其密封性能的主要因素是密封圈的預(yù)壓縮率及密封處的配合精度，因此，如何選配密封圈及密封槽尺寸，是保證密封可靠和使用壽命的關(guān)鍵問題［3］。

某型呼吸閥件充氣控制器的閥桿和閥座連接圖見圖2。高壓氣體從進氣口進入，推動閥座向上運動，從而壓縮彈簧，并帶動閥桿一并向上移動，起到調(diào)節(jié)出氣口供氣壓力的作用。由圖可知，閥桿與閥座之間存在相對運動，既要保證閥件的密封性和工作性能，又要確保密封元件在工作過程中不易損壞，本設(shè)計中選用了橡膠O形圈，采用動密封，并在密封圈兩側(cè)加裝擋圈。圖2中O形密封圈孔、軸直徑分別為，為滿足整體設(shè)計要求，選擇尺寸為

因橡膠材質(zhì)的不可壓縮性，決定了預(yù)壓縮前后密封圈體積不變，故O形密封圈在安裝前后體積相等，即可列出等式(1):

式中，D0——密封圈內(nèi)徑(mm);d0——密封圈斷面直徑(mm);D——孔直徑(mm);δ——密封圈過盈量(mm);d1——壓縮后的密封圈斷面直徑(mm)。

其中，δ可根據(jù)表1取值，D＜30mm，動密封，δ取0.3mm。為便于計算，此處用D+δ－d0代替D+δ－d1，計算得d1=2.611mm。將 d1返回到式(1)，求出 d2=2.607mm。如此反復(fù)，可計算得d3、d4……，最后取dn=2.61mm。將結(jié)果代入式(2)，得密封槽內(nèi)徑D1=11.08mm。

表1 孔直徑與過盈關(guān)系推薦值(mm)

密封槽寬度B可按(1.3 ～1.5)d0估算得到［5］，考慮其中設(shè)置了防擠入擋圈，還需加上2個擋圈厚度(每個擋圈厚度為2 mm)，得到B=(7.45 ～7.98)mm。

密封圈的壓縮率ε可由式(3)表示，h0為密封圈槽底至被密封面的距離，如圖4所示。

根據(jù) GB/T 3452.3-2005［4］要求，可取 ε =20%，從而計算得h0=2.12 mm。

圖4 密封圈壓縮率

3 橡膠O形密封圈密封性能的影響因素

影響O形橡膠密封圈性能的因素很多，在工程設(shè)計和使用安裝中要綜合分析和考慮各方面要素，才能最大限度地保證設(shè)備的密封性能。

3.1 設(shè)計中的注意事項 O形橡膠密封圈的尺寸選擇應(yīng)嚴(yán)格按照 GB/T 3452.3-2005［4］的要求，同時，溝槽設(shè)計須遵循“2.2”中提出的設(shè)計方法。此外，在設(shè)計中還應(yīng)注意以下幾點:(1)溝槽的截面面積一定要大于O形圈的截面面積，橡膠是不可壓縮的，在外壓作用下，不可能改變它的體積，只能導(dǎo)致形狀的改變。(2)接觸面表面粗糙度設(shè)計要合適，避免不光滑表面造成的摩擦力過大。(3)耐高低溫性能好。作為在水下設(shè)備中使用的密封圈，更要要求橡膠材料具有良好的低溫環(huán)境，保證在低溫下不硬化、脆裂。

3.2 使用中的注意事項 (1)密封圈安裝前應(yīng)對密封槽進行外觀檢查，防止雜物、灰塵、缺欠和刮傷等情況出現(xiàn)，從而導(dǎo)致密封性能下降。(2)安裝前應(yīng)涂以潤滑脂，以增強密封效果。(3)安裝時可在密封圈通過部位的螺紋或表面，用膠帶包住，可有效保護密封圈，防止其在安裝過程中意外碰傷。此外，O形密封圈在使用過程中，往往會因為一些不合理的設(shè)計和不恰當(dāng)?shù)氖褂茫ピ械拿芊庑?，為了確保O形橡膠圈的密封性能，在使用過程中應(yīng)盡量避免以下情況的發(fā)生:(1)壓縮永久變形大。使用一段時間后，取出密封槽中的O形圈，發(fā)現(xiàn)形體變扁不能恢復(fù)原狀，彈性已經(jīng)喪失。原因為部件長期工作在溫度過高的環(huán)境中，超出了橡膠材料的耐受閾值;密封槽設(shè)計不合理，造成壓縮率過大，超過了O形圈彈性恢復(fù)能力。(2)扭轉(zhuǎn)。動密封情況下，O形圈和被密封面之間存在相對運動，如果安裝時產(chǎn)生的偏心度較大，就會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象［5］。這種情況下，O形圈容易被切斷，密封失效，而如果切斷的O形圈掉進設(shè)備中，可能會造成重大事故。(3)擠出。在工作壓力作用下，O形圈被擠向另一側(cè)。主要原因是密封槽和被密封面之間存在間隙，當(dāng)壓力超過一定限度時，O形圈會發(fā)生被擠出的現(xiàn)象。在溝槽中密封圈的兩側(cè)增設(shè)擋圈，可以降低O形圈被擠出的可能。

4 結(jié)束語

水下人員生命支持設(shè)備以及水下作業(yè)設(shè)備正得到廣泛的應(yīng)用，為了提高這些設(shè)備的可靠性和安全性，密封性設(shè)計在其中起著極其關(guān)鍵的作用。相對于較復(fù)雜的機械系統(tǒng)、電子設(shè)備，類似O形圈這樣的密封元件雖然是個小部件，但卻十分重要，它們甚至決定了設(shè)備的使用性和安全性。因此，在水下設(shè)備的工程設(shè)計過程中，安全、可靠的密封設(shè)計不容忽視。

［1］ 彭旭東，王玉明，黃興，等.密封技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.液壓氣動與密封，2009，(4):5-11.

［2］ 洪嘯虎，薛尚文，常興，等.基于海洋環(huán)境的水下液壓系統(tǒng)密封技術(shù)研究［J］.液壓氣動與密封，2012(3):15-16.

［3］ 馮利軍，臧彥斌.O形橡膠密封圈的選擇與設(shè)計［J］.現(xiàn)代車用動力，2008，8(3):46-48.

［4］ 中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 3452.1-2005.液壓氣動用O形橡膠密封圈第1部分:尺寸系列及公差［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［5］ 吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:12-85.