任何密封受壓時(shí)都應(yīng)有0.5比的泊松變形能力
——也作《徐氏流體密封與流動(dòng)理論論文專集》的局部修正陳述

，

(保一集團(tuán)有限公司， 浙江 溫州 325105)

1 徐氏密封結(jié)構(gòu)理念完整重述[1]

任何密封環(huán)都應(yīng)能將其受到的加載壓力有效瞬間正交轉(zhuǎn)換為其密封應(yīng)力，例如將桿的壓緊密封環(huán)的活軸向緊固壓力有效瞬間轉(zhuǎn)換為環(huán)的活徑向密封應(yīng)力，將自緊面密封環(huán)柱面上的活流體壓力如數(shù)瞬間轉(zhuǎn)換為環(huán)端面上的活密封應(yīng)力。能將壓力有效瞬間正交轉(zhuǎn)換的液體是因其軟和體積不可壓縮，軟致其一受壓便有變形流動(dòng)力，體積不可壓縮則致其一受壓各向便有相同變形流動(dòng)力。泊松比μ為0～0.5的普通物質(zhì)既有固性行為又有液性行為，而且泊松比越趨近0.5的物質(zhì)越具有充分液性行為和體積不可壓縮性[2]，而越可有效瞬間完成這種轉(zhuǎn)換。因此，密封環(huán)設(shè)計(jì)在于確保密封環(huán)時(shí)刻都有0.5比的泊松變形能力。然而，現(xiàn)有密封技術(shù)卻不知密封對(duì)泊松變形的依賴性。

橡膠是非常軟而泊松比值又非常趨近0.5的材料，因而可視為是一種稠得在大氣溫度、壓力下還有固定形狀的全液體。無芯橡膠O形環(huán)就可模擬為一環(huán)裝滿液體的無限薄壁金屬管，用無限薄壁金屬管代表液體的固定形狀。首先由無芯橡膠O形環(huán)與其模擬金屬環(huán)管應(yīng)有相同的周向抗繃伸能力可知(式中的→指等式變換)：

2πruδkRmk=πru2Rmr→2πrukruRmk=
πru2Rmr→kRmk=0.5Rmr

(1)

然后由普通金屬薄壁管能承受的極限壓力pm=Rmδ/r可以知道，作為同一無芯橡膠O形環(huán)的模擬金屬薄壁環(huán)管在容腔中能承受的極限壓力pme不僅隨最大擠出弧半徑re而變，而且與re之積還為常數(shù)，即：

pmere≡Rmkδk=常數(shù)→pmere=
Rmkkru=0.5Rmrru

(2)

也就是說，安裝入容腔的模擬金屬環(huán)管能承受的極限壓力為：

(3)

未安裝入容腔的模擬金屬環(huán)管能承受的極限壓力為：

pmu=0.5Rmr

(4)

或者說，無芯橡膠O形環(huán)的受壓應(yīng)力或內(nèi)部壓力為：

px=0.5Rmrru/rx

(5)

式(1)～式(5)中，ru為全部外表面未受壓時(shí)無芯橡膠O形環(huán)的橫截面半徑或自由擠出圓弧半徑，re為無芯橡膠O形環(huán)穿過容腔最大閉合間隙的擠出圓弧半徑(等于0.5倍容腔最大閉合間隙)，rx為部分外表面受壓時(shí)無芯橡膠O形環(huán)未受壓表面的擠出圓弧半徑，r為普通金屬薄壁管的橫截面半徑，δk為模擬金屬環(huán)管壁厚，δ為普通金屬薄壁管壁厚，mm；Rmk為模擬金屬環(huán)管材料極限強(qiáng)度，Rmr為橡膠O形環(huán)材料極限強(qiáng)度，Rm為普通金屬薄壁管材料極限強(qiáng)度，MPa。

由式(5)可以知道，①當(dāng)安裝致其擠出圓弧半徑rx=0.5ru時(shí)，無芯O形環(huán)的內(nèi)壓力px0.5(安裝應(yīng)力Sa0.5)等于材料極限強(qiáng)度Rmr，或者說無芯O形環(huán)橫截面直徑壓縮50%時(shí)的受壓應(yīng)力px正好等于密封環(huán)材料強(qiáng)度極限Rmr。②致無芯O形環(huán)密封面擠入泄漏微坑和微槽的密封微拉伸變形只能發(fā)生在其受壓應(yīng)力px等于材料強(qiáng)度極限Rmr而無拉伸抗力時(shí)，因?yàn)镽mr未變0而還有拉伸抗力的密封面發(fā)生致其rx≈0的密封微拉伸變形需要其受壓應(yīng)力px≈∞。

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，常溫下的橡膠，就其分子鏈段運(yùn)動(dòng)來看是液體，就其整個(gè)分子鏈來看是固體。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，橡膠分子鏈?zhǔn)芾鞎r(shí)趨于更整齊排列(似晶體化過程)而致橡膠更具固性行為，受壓縮時(shí)趨于更卷曲(似去晶體化過程)而致橡膠更具液性行為。文獻(xiàn)[5-6]認(rèn)為，材料的泊松比，屈服前隨拉伸載荷增加而降變至0，屈服后強(qiáng)化前又隨載荷增加而升變至0.5。因此，可視未安裝入容腔的橡膠O形環(huán)為橫截面上有同心圓形彈性纖維線的液體環(huán)(圖1b)；可視安裝入正方形容腔的橡膠O形環(huán)為橫截面上有同心正方形彈性纖維線的液體環(huán)(圖1c)(ra為安裝入容腔后的擠出圓弧半徑)，但四角被繃伸致更強(qiáng)而能耐更高的壓力；可視容腔中受足夠壓縮的橡膠O形環(huán)為只在內(nèi)切圓外的擠出角內(nèi)才有密集弧形彈性纖維線的液體環(huán)(圖1d)，即其內(nèi)切圓區(qū)被充分壓縮至更具可如數(shù)各向相同傳遞壓力的液性行為，其擠出角區(qū)被充分繃伸至更具能承受擠出壓力的固性行為。

圖1 無芯橡膠O形環(huán)在正方形容腔中的變形

因容腔中受流體擠壓時(shí)的橡膠O形環(huán)被約束至無法發(fā)生任何泊松變形，故其約束模量M為：

M=[E(1-μ)]/[(1+μ)(1-2μ)]

(6)

當(dāng)μ=0.5時(shí)M=∞，當(dāng)μ=0時(shí)M=E。

由式(6)可知，被繃伸至泊松比逼近0[4-5]的擠出角內(nèi)的環(huán)料因只有逼近彈性模量E的抗拉模量才有可能發(fā)生繃伸破損，被壓縮至泊松比更逼近0.5的內(nèi)切圓內(nèi)環(huán)料有接近無窮大的抗壓模量而完全不可能發(fā)生任何壓縮破損，即被壓縮至有充分液性行為而無拉伸抗力的環(huán)料可隨其被解壓縮或被再拉伸而逐漸恢復(fù)拉伸抗力。

Parker公司采用內(nèi)徑123.19 mm(4.850英寸)的丁基橡膠O形環(huán)作面密封(圖2a)，在25 ℃和0.41 MPa下進(jìn)行其橫截面直徑分別安裝壓縮15%、30%和50%時(shí)的泄漏測試，得到如圖2b所示的O形環(huán)的安裝壓縮百分?jǐn)?shù)(壓縮百分?jǐn)?shù)=[(ru-ra)/ru]×100%)與泄漏率關(guān)系曲線[7](圖2b縱坐標(biāo)單位中英寸線是指按英寸計(jì)量的密封線長。為尊重原文，更明確表達(dá)泄漏率意義，此處仍保留英寸線用法)。Parker公司的泄漏率曲線表明，橡膠O形環(huán)上涂脂可減少安裝壓縮量低于50%的O形環(huán)的泄漏，但卻不能減少安裝壓縮量等于50%的O形環(huán)的泄漏[7]。

圖2 Parker公司測試的O形環(huán)泄漏率與安裝壓縮百分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

既然致無芯O形環(huán)橫截面直徑被壓縮50%時(shí)的受壓應(yīng)力才致其密封面剛變至無拉伸抗力狀態(tài)，那么壓縮量低于50%而還有拉伸抗力的密封面就不可能直接被任何高的內(nèi)壓力擠入泄漏微坑和微槽而堵死泄漏通道，只能將無拉伸抗力的油脂部分?jǐn)D入泄漏微坑和微槽而部分堵死泄漏通道， 因?yàn)閴嚎s量越小和越大對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的越低和越高的內(nèi)壓力只能通過密封面對(duì)密封脂產(chǎn)生致泄漏對(duì)應(yīng)部分減少越小和越大的擠壓力。此外，壓縮量等于50%而無拉伸抗力的密封面還需要一個(gè)不小于大氣壓力(0.1 MPa)的內(nèi)部附加壓力增量，才能以微拉伸變形方式將密封面擠入泄漏微坑和微槽而擠出其中的空氣，而此時(shí)Parker公司的0.41 MPa測試壓力遠(yuǎn)小于大小等于環(huán)材極限強(qiáng)度的內(nèi)壓力，根本不可能致其內(nèi)壓力增加而致其產(chǎn)生密封微拉伸變形。也就是說，Parker公司已無意提前證明式(5)是正確的。

由于充分無漏連接是加載密封接觸層至其充分變形接觸后再至其充分緊密接觸的結(jié)果，即充分無漏連接需要先創(chuàng)造一個(gè)能充分填平密封接觸面上凸凹不平的變形接觸，后創(chuàng)造一個(gè)充分抗流體最強(qiáng)滲穿的緊密接觸，而受約束壓縮環(huán)的密封接觸層或面的有效抗拉彈性模量Ec是密封變形和緊密接觸的抗力指標(biāo)，密封接觸層或面的基體的有效抗拉彈性模量Es是至/持密封變形和緊密接觸的動(dòng)力指標(biāo)，因此，密封環(huán)至/持密封的難度是由其接觸層或面與其基體的材料的有效抗拉彈性模量之比m1(m1=Ec/Es)決定的，而且因Ec=Es而致m1max=1的橡膠O形環(huán)是最難至/持密封的[8]。

所以，理論和實(shí)驗(yàn)都證明，大氣溫度壓力下密封要求的初始密封應(yīng)力為Si=Rm+0.2 MPa。其中Rm等于密封面材料抗拉強(qiáng)度，并且是將初始密封面就位壓縮成無拉伸抗力的半成品密封面所需的應(yīng)力。0.2 MPa為大氣溫度壓力下致半成品密封面達(dá)到和維持充分緊密接觸所需的最大附加應(yīng)力，并是密封的最小必須密封應(yīng)力y的極大值，因?yàn)榇髿鉁囟葔毫ο聫椥泽w(橡膠)和無拉伸抗力體的半成品密封面達(dá)到充分密封變形都需要0.1 MPa的附加應(yīng)力，但是對(duì)于密封變形的維持，前者需要而后者不需要0.1 MPa的附加應(yīng)力。對(duì)達(dá)到充分抗大氣滲穿的緊密接觸，兩種合格密封面都需0.1 MPa的附加應(yīng)力，即彈性體(橡膠)的最小必須密封應(yīng)力y=0.2 MPa，無拉伸抗力體的最小必須密封應(yīng)力y=0.1 MPa，或者說總體上密封的最小必須密封應(yīng)力y≤0.2 MPa。

然而，ASME卻一直將密封就位加工或安裝至無可見泄漏時(shí)所需的應(yīng)力(相當(dāng)于前述的初始密封應(yīng)力Si)誤為密封所需的最小必須密封應(yīng)力，因而將最難至/持密封的橡膠O形環(huán)密封誤為最易至/持密封的[9]。

綜上所述可知，密封設(shè)計(jì)在于確保受壓密封元依賴泊松效應(yīng)獲得充分的變形，完全不同于旨在確保承載結(jié)構(gòu)元的變形或應(yīng)力不得超過材料的許可極限的普通機(jī)械設(shè)計(jì)。因此，一直遠(yuǎn)離泊松效應(yīng)密封設(shè)計(jì)理念的現(xiàn)有密封技術(shù)，不可能為當(dāng)今世界提供任何科學(xué)的密封結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，除此之外，現(xiàn)有技術(shù)還不知道漏阻(緊密度)物理量及任何有關(guān)它的計(jì)量、檢測和控制手段[10-11]，現(xiàn)有密封技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是不科學(xué)的。

2 泊松變形能力補(bǔ)償

2.1 材料泊松比及其變化

文獻(xiàn)[12]指出，蠕動(dòng)是固體在其同比溫度大于0.5°時(shí)普遍發(fā)生的滯后應(yīng)力的永久塑性應(yīng)變(注：同比溫度為與熱力學(xué)溫度不同計(jì)量單位的溫度，同比溫度0°為-273.16 ℃，同比溫度1°為物質(zhì)的熔點(diǎn)溫度。文中保留原文獻(xiàn)用法)，蠕動(dòng)應(yīng)變是由短時(shí)滯后的變形應(yīng)變和長時(shí)滯后的黏流應(yīng)變疊加構(gòu)成的(圖3)，蠕動(dòng)應(yīng)變隨應(yīng)力σ和溫度T的增加而增加(圖4～圖5)，因此，可以說，材料的應(yīng)變在其同比溫度于0.5°時(shí)不僅會(huì)隨溫度和應(yīng)力變化而且還是滯后于應(yīng)力變化的。由于泊松比μ是物質(zhì)的非加載方向與加載方向的應(yīng)變比，因此，可以說，材料的泊松比值不僅隨溫度和加載壓力大小而變，而且還是滯后加載壓力變化的。

圖3 蠕動(dòng)應(yīng)變構(gòu)成與疊加

圖4 恒溫下蠕動(dòng)應(yīng)變量隨應(yīng)力增加而增大

圖5 恒應(yīng)力下蠕動(dòng)應(yīng)變量隨溫度增加而增大

松弛和蠕動(dòng)中材料泊松比值隨松弛強(qiáng)度Δ的變化情況見圖6[13]。由圖6a～圖6c可見，松弛和蠕動(dòng)中材料的泊松比值幾乎與松弛和蠕變一樣，都是隨松弛強(qiáng)度Δ遞增而遞增逼近0.5。由于松弛強(qiáng)度Δ=(E0-E∞)/E∞，為松弛終結(jié)后的彈性模量降低量與最終彈性模量之比[13]，而彈性模量E只有在材料屈服后才會(huì)隨加載應(yīng)力變化，因此，Δ越大代表載荷越大，進(jìn)而可以說，密封材料屈服后的泊松比值是隨加載壓力遞增而滯后加載壓力遞增逼近0.5的。

圖6 松弛和蠕動(dòng)中材料泊松比值隨松弛強(qiáng)度Δ變化情況

泊松比μ的表達(dá)式為：

(7)

由式(7)可知，常溫下物質(zhì)的泊松比是其剪切模量G與體積模量K之比的函數(shù)(圖7)[2]，并且當(dāng)K/G逼近0時(shí)，μ逼近-1；當(dāng)G/K逼近0時(shí)，μ逼近0.5。也就是說，越軟而體積又越不可壓縮的物質(zhì)的泊松比越逼近液體的0.5比的泊松比，或者說，物質(zhì)的泊松比是其液性行為指數(shù)，泊松比越逼近0.5的物質(zhì)的液性行為和不可壓縮性越強(qiáng)，乃至可視普通液體為泊松比μ=0.5的物質(zhì)，可視普通固體為0<μ<0.5的物質(zhì)。

圖7 物質(zhì)泊松比與K/G關(guān)系

由于同比溫度為1°和0°的物質(zhì)分別是其最柔軟的液態(tài)和最堅(jiān)硬的固態(tài)，因此，同比溫度越大于和越小于0.5°的物質(zhì)分別有越多的液性和固性行為。由于常溫下不同物質(zhì)的同比溫度是不同的，因此，常溫下的不同物質(zhì)有不同的泊松比，因而有不同的液性行為(圖7)。由于物質(zhì)的溫度越高越逼近變成其最柔軟的液態(tài)，因此，恒定應(yīng)力下溫度T越高的物質(zhì)其應(yīng)變越大(圖5)。

日本的一項(xiàng)測試證明，對(duì)等規(guī)聚丙烯，在其屈服前，泊松比隨著拉伸降變至0(Ⅰ-Ⅱ)；在其屈服后強(qiáng)化前，泊松比隨著進(jìn)一步拉伸又升變至0.5(Ⅲ)；在強(qiáng)化后斷裂前，泊松比隨著更進(jìn)一步拉伸又再降變至0(Ⅳ)，見圖8[5]。

中國的一項(xiàng)測試證明，Q235鋼經(jīng)不高于400 ℃退火處理后屈服強(qiáng)度ReH幾乎無變化，經(jīng)1 000 ℃退火處理之后ReH大約下降60%。分別經(jīng)1 000 ℃和200 ℃退火處理過的Q235鋼，屈服后其泊松比都逼近0.5(圖9)[6]。

圖9 Q235鋼屈服前后泊松比變化

綜上所述，任何金屬和非金屬材料在屈服前和屈服后的泊松比值，不僅都隨溫度、載荷和載荷作用時(shí)間而變，而且還均隨其溫度逼近熔點(diǎn)和載荷逼近抗拉極限而逼近0.5。因此，密封設(shè)計(jì)者都應(yīng)當(dāng)知道材料的泊松比值變化對(duì)密封的泄漏是否產(chǎn)生影響，如果有影響又如何解決。

2.2 泊松變形能力補(bǔ)償角

自緊密封的實(shí)質(zhì)是使密封環(huán)如數(shù)正交傳遞流體壓力，例如，是使圖10所示的自緊密環(huán)將其內(nèi)柱面上的流體壓力p如數(shù)轉(zhuǎn)換為其端面上的密封應(yīng)力S，因此，任何自緊密環(huán)都應(yīng)擁有充分的液性行為。圖10中k為環(huán)高h(yuǎn)與環(huán)壁厚b之比，?d2為環(huán)外徑，?d1r為環(huán)內(nèi)徑。

圖10 自緊密封實(shí)質(zhì)

由于泊松比越逼近0.5的物質(zhì)越具有充分液性行為和不可壓縮性而越可有效瞬間正交傳遞壓力，因此，一切柔韌固體材料，無論其泊松比值比0.5小多少，都可通過一個(gè)液性補(bǔ)償角θl將其正交應(yīng)變比補(bǔ)償?shù)?.5而用于制作自緊密環(huán)。材料的泊松變形補(bǔ)償情況見圖11。

圖11 材料的泊松變形補(bǔ)償

材料的泊松變形抵消情況見圖12。圖中?d2′為環(huán)腔壁直徑。任何與其縛腔有徑向間隙C的自緊密環(huán)，在流體壓力到來時(shí)，都將因壓力下徑向間隙所致的環(huán)周增加所伴隨的環(huán)高泊松變形減少而脫離緊密接觸。由于構(gòu)件制造誤差和材料熱脹冷縮系數(shù)差都會(huì)致環(huán)徑向接觸有間隙，因此，即使對(duì)泊松比為0.5的自緊密環(huán)，也還需要一個(gè)徑向接觸補(bǔ)償角θc，才能及時(shí)抵消徑向間隙所致的與泊松比值成正比的受壓正交變形。

圖12 材料的泊松變形抵消

由于泊松比為0～0.5的自緊密環(huán)的液性補(bǔ)償(圖11)和接觸補(bǔ)償(圖12)都是必須的，而且都是補(bǔ)償流體壓力下的環(huán)高的減少，因此，如果其液性補(bǔ)償統(tǒng)一按0補(bǔ)償?shù)?.5，其接觸補(bǔ)償統(tǒng)一按0.5補(bǔ)償?shù)?，則任何自緊密環(huán)都有因泊松比值變化極限值(0.5)相同決定的充分液性補(bǔ)償角θl和充分接觸補(bǔ)償角θc，并可統(tǒng)稱為基本泊松變形補(bǔ)償角θe=arctan(μh)/r=arctan(h/d)[8]。其中h為密封環(huán)高，d為密封環(huán)內(nèi)徑，μ取泊松比極限值0.5。

如果自緊密環(huán)的基本泊松變形補(bǔ)償角θe有楔功能，則也是致環(huán)更多獲得有用的密封變形。因此，無論θe再大，所改變的僅是環(huán)材達(dá)到正交變形比值極限的時(shí)間而不是極限值，或至多是將環(huán)材的正交變形比μ盡早由0補(bǔ)償?shù)?.5或由0.5抵消到0，或至多是消除環(huán)材的正交變形比μ的滯后性。所以，一切材料的自緊密環(huán)，無論其材質(zhì)實(shí)際泊松比值多大，都可以用一個(gè)比基本泊松變形補(bǔ)償角θe更大的角度θx，同時(shí)用作其泊松變形補(bǔ)償角θl和抵消角θc。

由于基本泊松變形補(bǔ)償角θe能將泊松比由0補(bǔ)償?shù)?.5，因此，無論泊松比怎樣隨材質(zhì)及其溫度和壓力變化，一個(gè)大于基本泊松變形補(bǔ)償角θe的實(shí)際泊松變形補(bǔ)償角θx，都能確保密封環(huán)一受壓移動(dòng)便有0.5比的泊松變形能力。也就是說，設(shè)計(jì)密封環(huán)時(shí)只須考慮環(huán)是否擁有足夠大的泊松變形補(bǔ)償角，無需追究泊松比值是如何具體隨材質(zhì)及其溫度和壓力變化的。

密封環(huán)的泊松變形補(bǔ)償角的實(shí)質(zhì)是確保環(huán)容腔能致環(huán)一受壓便能產(chǎn)生由大空間至小空間的移動(dòng)，使在大空間具備與不具備0.5比泊松變形能力的各環(huán)層，在壓入小空間瞬間都有0.5比的泊松變形能力，等同致密封環(huán)時(shí)刻都有0.5比的泊松變形能力。其實(shí)，在那種容腔中受加載壓縮的密封環(huán)，因受被密封面充分約束而不可能產(chǎn)生任何泊松變形，必定為那種有能力發(fā)生而又不會(huì)發(fā)生泊松變形的環(huán)。如果將環(huán)的這種泊松變形視為密封環(huán)被被密封面由小空間回壓入大空間的變形，則密封環(huán)在大空間也是不可壓縮的，從而致密封面在大小空間時(shí)都能產(chǎn)生等于加載壓力的密封應(yīng)力。所以，密封設(shè)計(jì)合格性的首要判據(jù)是看密封環(huán)是否一受壓便有角度不小于θe=arctan(h/d)的由大至小的移動(dòng)空間。

3 密封脂或劑的應(yīng)用場合

如圖13所示，受到2個(gè)剛性表面壓縮的厚物體，有2個(gè)受到有充分約束壓縮而不能產(chǎn)生任何泊松變形的薄接觸層，和1個(gè)未受到充分約束壓縮而可發(fā)生一些泊松鼓出變形的厚腰。因此，被2個(gè)剛性被密封表面壓縮成再無料可擠出的密封脂或劑薄膜便是一個(gè)無任何鼓出腰的完全受到充分約束壓縮的物體[14]。

圖13 約束與非約束壓縮

由于被約束壓縮至無任何抗拉能力又無任何宏觀應(yīng)變的材料既無壓縮破損又逼近0.5的泊松比[5-6]，因此，根據(jù)式(6)可知，被2個(gè)剛性被密封表面壓縮至無料可擠出的密封脂或劑薄膜有逼近無窮大的彈性模量，使其最大許可壓力只受其壓縮表面的強(qiáng)度限制。所以，密封脂或劑的密封性和許可工作壓力完全取決于致其形成一個(gè)逼近無限強(qiáng)膜的充分周向均勻受壓。確保螺栓連接端面達(dá)到充分周向均勻受壓的手段是在連接的特設(shè)端面上增加一個(gè)齒頂與對(duì)接面齊平的邊緣宏觀鋸齒環(huán)[15]，確保螺紋連接端面達(dá)到充分均勻受壓的手段是確保端面與螺紋軸線垂直。確保這兩種連接端面都達(dá)到充分強(qiáng)受壓的手段是確保其連接都能通過4倍許可工作壓力的破裂壓力測試。

流體壓力下嚙合螺紋間的密封脂或劑也是受約束壓縮的，根據(jù)式(5)，只要確保其無擠出間隙，也可確保其連接能承受逼近無窮大的流體壓力。確保密封脂或劑無擠出間隙的手段是使用在最后嚙合的螺紋中無任何不完整螺紋的柱/錐螺紋配合，以確保初始嚙合螺紋為多圈無任何牙頂/牙底嚙合的緊固螺紋，最后嚙合螺紋為一圈有牙頂/牙底充分嚙合的密封螺紋，分別用作實(shí)現(xiàn)和維持無密封脂或劑擠出間隙連接所需的動(dòng)力條件和變形條件[15]。

由于確保密封脂或劑充分周向均勻受壓的各種手段都是普通和廉價(jià)的，因此，脂或劑密封是最廉價(jià)、最簡單和最可靠的密封，本應(yīng)在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

4 O形環(huán)密封的應(yīng)用場合

矩形容腔中的橡膠O形環(huán)任何時(shí)候都只有一個(gè)固定不變的壓力流體暴露表面積，無法以同一容腔既致環(huán)的流體密封作用力大于環(huán)的流體去密封作用力，又致環(huán)被安裝至初始密封狀態(tài)，即無法以同一容腔既致環(huán)在工作中的ra≥ 0.75ru(圖14a)，又致環(huán)安裝至ra≤0.5ru(圖14b)[7]。圖14中φd12為桿柱外徑。

如果無芯橡膠O形環(huán)的容腔是一個(gè)以容腔多邊形內(nèi)切圓為基礎(chǔ)的圓壁容腔(圖15)，則O形環(huán)在容腔中只會(huì)有一個(gè)流體擠壓角和一個(gè)自由擠出角，因此，微弱的流體壓力便可致O形環(huán)在擠壓角里無阻力地由小空間至大空間移動(dòng)而致其頃刻脫離容腔圓壁，從而致其流體作用面積和密封作用力陡增而致其在自由擠出角里由大空間至小空間移動(dòng)，同時(shí)達(dá)到充分變形接觸和充分緊密接觸。

現(xiàn)有密封技術(shù)一直未注意到有關(guān)無芯橡膠O形環(huán)密封的如下基本面：①橡膠材料摩擦因數(shù)巨大(有1～4)，橡膠O形環(huán)在標(biāo)準(zhǔn)化矩形容腔中有3～4倍流體暴露或流體操縱面積那樣巨大的摩擦接觸面積，需要很高的流體壓力才能致橡膠O形環(huán)開始由大空間至小空間的密封變形移動(dòng)。②薄壁管能承受的極限壓力與管壁半徑成反比，容腔中受壓縮的橡膠O形環(huán)的內(nèi)部和外部壓力場不可能有任何躍變區(qū)域，因而任何腔中的O形環(huán)只能以壁相切的等圓弧面去適應(yīng)其內(nèi)外壓力。③容腔中受約束壓縮的橡膠O形環(huán)為一種可像液體一樣沿腔流動(dòng)而又有無限抗壓能力和有限抗拉能力的物體，以至于其耐壓極限是按式(5)由其在擠出角的拉伸變形決定的。因此，現(xiàn)有密封技術(shù)既不知道橡膠O形環(huán)在容腔中如何變形，如未意識(shí)到其流體暴露表面應(yīng)為等徑圓弧[16-18]，又不知道如何設(shè)計(jì)O形環(huán)密封，如不知道如何計(jì)算其耐壓。

圖14 矩形容腔只有一個(gè)固定不變的ra

圖15 圓壁容腔的O形環(huán)密封

既然圓壁容腔中的無芯橡膠O形環(huán)只有一個(gè)既可致環(huán)的流動(dòng)阻力至0又可致環(huán)的流動(dòng)動(dòng)力不斷增加的流體擠壓角，和一個(gè)可致環(huán)的密封應(yīng)力不斷增加的擠出角，即無任何消耗動(dòng)力的其它多余流動(dòng)，那么，任何可滲穿密封接觸面而泄漏的初始流體壓力，就可瞬間致O形環(huán)脫離其容腔圓壁而形成圖15右側(cè)所示的結(jié)構(gòu)，開啟其由大空間至小空間的移動(dòng)密封進(jìn)程。由于微弱流體壓力下的無芯橡膠O形環(huán)還有明確的固性行為，因此，可以將圖15右側(cè)結(jié)構(gòu)視為大-小端塞結(jié)構(gòu)，可將大端面上的微弱流體壓力放大為小端接觸面上的不小于環(huán)材極限強(qiáng)度的密封應(yīng)力，從而致圓壁容腔中的O形環(huán)不再需要通過安裝實(shí)現(xiàn)初始密封。所以，基于容腔多邊形內(nèi)切圓的基圓制O形環(huán)密封是最科學(xué)的，詳細(xì)論述參見文獻(xiàn)[8，15]。

5 矩形環(huán)密封的應(yīng)用場合

矩形環(huán)密封見圖16。圖中r為致環(huán)端楔動(dòng)的彈性變形旋轉(zhuǎn)半徑，h為環(huán)容腔深度(環(huán)安裝后的受壓高度)，h1為環(huán)尖底間的高度，h2為環(huán)尖頂間的高度，do為被連管的公稱外徑，b為環(huán)的公稱壁厚。對(duì)接特設(shè)端上徑向內(nèi)凸的環(huán)容腔縛壁，可給安裝中因泊松變形而于中部緊觸縛壁的自緊密環(huán)，同時(shí)提供一個(gè)以r為半徑的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)變形支點(diǎn)和2個(gè)泊松補(bǔ)償角(θx)。因此，在密封連接系統(tǒng)中，只要自緊密環(huán)在壓力作用下能首先變形，則任何流體壓力都既可致未屈服的自緊密環(huán)按2個(gè)剛性楔工作，又可致已屈服的自緊密環(huán)按2個(gè)柔韌材團(tuán)工作，或都能致自緊密環(huán)至充分自緊密接觸。

圖16 矩形環(huán)密封

由于自緊密環(huán)的矩形截面兩端按環(huán)尖底間高度h1<環(huán)容腔深度h<環(huán)尖頂間的高度h2向外漸尖設(shè)計(jì)，使有壓碎環(huán)端面潛能的緊固件也無壓屈服環(huán)體的機(jī)會(huì)，從而絕對(duì)確保環(huán)的密封難至系數(shù)m1<1，而壓縮成一層薄膜的環(huán)端部又有逼近無窮大的抗壓強(qiáng)度而可絕對(duì)確保環(huán)端面無壓縮破損，因此，任何適度按螺栓總抗拉能力/面積>管的抗拉能力/面積>環(huán)體截面積>環(huán)端面積設(shè)計(jì)的螺栓連接，都能確保：①比被連接管更抗拉的緊固件有同時(shí)致環(huán)端充分塑性變形和環(huán)體充分彈性變形的條件。②在裝配和工作中，首先更多發(fā)生的是環(huán)的密封變形而非其它零部件的任何其它變形，以至于當(dāng)環(huán)按k>1+b/d1r設(shè)計(jì)而確保其密封作用力Fs大于其去密封作用力Fu時(shí)，在選擇脂/劑、微觀鋸齒環(huán)和O形環(huán)或矩形環(huán)中的1種、2種或3種作密封元的并有充分周向均勻壓緊保障的任何螺栓連接中，永遠(yuǎn)都不會(huì)有密封所致的失效。

此外，矩形環(huán)還可用與壓力容器體相同的材料制造而不再受材料的工作壓力、溫度、熱脹冷縮系數(shù)、腐蝕性和制造技術(shù)的限制，因此，矩形環(huán)密封是非常理想的面密封，詳見文獻(xiàn)[8]。

6 三角形環(huán)密封的應(yīng)用場合

大小規(guī)格升降閥桿柱密封結(jié)構(gòu)分別見圖17和圖18。

1.閥體(桿殼) 2.反擠出C形環(huán) 3.硬壓環(huán) 4.軟密封環(huán) 5.單匝反擠出環(huán) 6.閥桿 7.壓蓋圖17 小規(guī)格升降閥桿柱密封

1.閥體(桿殼) 2.反擠出C形環(huán) 3.硬壓環(huán) 4.軟密封環(huán) 5.單匝反擠出環(huán) 6.蝶形彈簧 7.六角螺釘 8.壓蓋 9.閥桿 10.球面墊圈 11. 硬壓環(huán)(套)圖18 大規(guī)格升降閥桿柱密封

無反擠出金屬C形環(huán)的軟三角形環(huán)的最大許可工作壓力pmr等于其內(nèi)切圓環(huán)的模擬金屬O形環(huán)薄壁管在容腔中能夠承受的極限壓力，即pmr=0.5Rmrru/rc，其中rc為軟環(huán)在離桿角的擠出弧半徑，ru為基準(zhǔn)三角形的內(nèi)切圓半徑。而有反擠出金屬C形環(huán)的軟三角形環(huán)的最大許可工作壓力pmrc則為無反擠出金屬C形環(huán)的軟三角形環(huán)和反擠出金屬C形環(huán)分別能夠承受的極限壓力之和，即pmrc=0.5Rmrru/rc+Rmcδc/rc，其中δc為反擠出金屬C形環(huán)的壁厚，Rmc為反擠出金屬C形環(huán)的抗拉強(qiáng)度。

7 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)初始緊密連接需要加載其密封面至無絲毫抗拉的程度，即至其密封應(yīng)力不小于密封面材料極限強(qiáng)度的程度，因此，必須致密封元被壓縮成薄膜或者受封閉壓縮，即必須確保受壓密封元沒有泊松變形和具有足夠的擠出強(qiáng)度，以確保密封元在最大工作壓力下都不發(fā)生任何的壓縮和拉伸破損。維持初始緊密連接需要進(jìn)一步加載其密封面或者密封元達(dá)到其密封應(yīng)力不小于流體壓力的程度。實(shí)現(xiàn)和維持初始緊密連接往往都要求密封元能夠正交傳遞壓力，將加載壓力有效轉(zhuǎn)換為與加載壓力垂直的密封應(yīng)力。

泊松比是物質(zhì)的液性行為指數(shù)，而且泊松比越趨近0.5的物質(zhì)越具有充分的液性行為和不可壓縮性而越能有效瞬間實(shí)施壓力的正交轉(zhuǎn)換。材料的泊松比不僅隨著溫度和加載壓力而變化，而且是滯后加載壓力變化的。流體壓力和活動(dòng)桿所需的密封應(yīng)力都是不斷變化的。因此，實(shí)現(xiàn)和維持充分緊密連接必須確保其密封元時(shí)刻都能有0.5比的泊松變形能力，以便能將加載壓力有效瞬間正交轉(zhuǎn)換為密封應(yīng)力。

泊松比是物質(zhì)的非加載方向與加載方向的應(yīng)變比，如果容腔有角度不小于θe=arctan(h/d)的致受壓密封環(huán)由大至小的移動(dòng)空間，則在大空間，具備與不具備0.5比泊松變形能力的各環(huán)層在壓入小空間瞬間，都具有0.5比的泊松變形能力，等同于確保密封環(huán)時(shí)刻都有0.5比的泊松變形能力。

工作中具備0.5比的泊松變形能力的密封元都是受約束壓縮的，除了在擠出角里有宏觀拉伸應(yīng)變之外，再無其它任何宏觀拉伸和壓縮松應(yīng)變，因此，其最大工作壓力是由其在擠出角的極限抗拉能力決定的，并且已經(jīng)為橡膠O形環(huán)密封的高壓應(yīng)用史所充分證實(shí)。

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