單O型密封圈實現(xiàn)雙面密封問題的探究

高軍 王鵬遠(yuǎn)

摘 要：密封是液壓元件面臨的永恒問題。密封結(jié)構(gòu)的選擇不但影響產(chǎn)品的密封性能，也關(guān)系著產(chǎn)品的體積、重量及經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵指標(biāo)。通常情況下，一道密封圈只能在一個方向上進(jìn)行密封，而本文將探討密封結(jié)構(gòu)中如何實現(xiàn)一個O型密封圈對兩個高壓面實現(xiàn)密封。具體地，通過建立數(shù)學(xué)分析模型，結(jié)合實際密封需求，參考密封相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，給出參考密封形式和密封圈參數(shù)，從而為密封結(jié)構(gòu)的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：O型密封圈;雙面密封;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TU991.36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0041-03

Research on Single O-ring Sealing about Double-face Problem

GAO Jun WANG Pengyuan

（Avic Xinxiang Aviation Industry （Group） Co.， Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Abstract： Sealing is an eternal problem faced by hydraulic components. The choice of sealing structure not only affects the sealing performance of products， but also relates to the volume， weight， economy and other key indicators of products. Normally， a sealing ring in one direction only， this article discussed the seal structure of how to implement a type O-ring sealing ring surface of two sealing seal， by establishing a mathematical analysis model， combining with the actual seal requirements， reference seal related standards， reference sealing， and sealing ring parameters were given， provide a reference for the choice of sealing structure and the structure design.

Keywords： O-ring sealing;double-face;mathematical model

低壓液壓元件密封結(jié)構(gòu)中，O型密封圈一般實現(xiàn)的是單面密封，即只是一個方向的壓緊，使密封圈具備一定的壓縮量，進(jìn)而達(dá)到密封油路的需要。有時候根據(jù)結(jié)構(gòu)空間的要求，很難有空間實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的雙面密封設(shè)計，不得不采用一個O型密封圈同時實現(xiàn)兩面密封的形式。實際應(yīng)用時，面臨如何選擇密封圈尺寸和如何保證結(jié)構(gòu)合理的問題。同時，由于設(shè)計不合理，密封量設(shè)計不合適和密封槽設(shè)計不合適，都將導(dǎo)致密封圈處在不合理的壓縮狀態(tài)，縮短其使用壽命，且在拆裝后無法繼續(xù)使用。因此，只有合理選擇結(jié)構(gòu)，才能避免該類問題的發(fā)生。

1 密封結(jié)構(gòu)形式

在某項液壓泵產(chǎn)品的研制過程中，活門處面需要O型密封圈實現(xiàn)密封兩個方向的高壓油液與外界的物理隔離。圖1描述了這種雙面密封的形式，O型密封圈同時完成了兩個高壓區(qū)與外界的物理隔絕[1]。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼image1_3.png>[活門套][高壓油液][活門][密封圈]

圖1 雙密封形式圖

對密封截面進(jìn)行分析，其截面如圖2所示。

圖2中，密封圈同時密封了兩個面。圖2只是理想狀態(tài)下的密封圈形狀，由于受到一定的側(cè)向壓力，密封圈實際是會受到一定擠壓而發(fā)生變形[2]。這種變形又被密封溝槽的形狀與大小限制。為了保證密封時密封圈處在可控的變形狀態(tài)，需要根據(jù)密封要求，抽象處理數(shù)學(xué)模型，并在模型基礎(chǔ)上分析密封圈的過盈量、密封溝槽尺寸等參數(shù)。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼image2_3.png>[高壓油液][高壓油液]

圖2 截面分析圖

2 數(shù)學(xué)模型建立分析計算

根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊中密封圈密封量選用的設(shè)計要求，選擇相關(guān)參數(shù)[3]。建模時，將密封圈的過盈量定義為[Δα]。通常情況下，密封壓力的不同會調(diào)整所需的過盈量，但通常過盈量都在0.3～0.5mm。同時，理想狀態(tài)下密封圈壓縮變形后總側(cè)面積沒有發(fā)生變化。根據(jù)對密封圈正常狀態(tài)與密封狀態(tài)下的側(cè)面積分析，抽象密封時理想的密封狀態(tài)模型，建立數(shù)學(xué)關(guān)系式，分離出過盈量、密封圈直徑和溝槽大小的方程[4]，見圖3。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼image4_1_1.png>[Δx][b][a][Δx][d]

圖3 數(shù)學(xué)模型分析圖

假設(shè)密封圈壓縮后，其截面積正好能填充整個密封溝槽，則建立如下方程：

[πd24=a+Δxb+Δx]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，[Δx]表示配合間隙。根據(jù)需求，一般要求d取最小值時最符合經(jīng)濟(jì)性。

[d=4a+Δxb+Δxπ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

根據(jù)分析，當(dāng)[a=b]時d取得最小值。假設(shè)密封圈過盈量為[Δα]，且密封圈壓縮后總截面積不變，則：

[d=a+Δx+Δα ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

進(jìn)一步簡化數(shù)學(xué)模型（一般情況下不考慮[Δx]），則可設(shè)[A=a+Δx=b+Δx]，聯(lián)立以上方程得：

[d=A+Δα=2Aπ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

解得：

[A=πΔα2-π]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

3 結(jié)合實際修正理論數(shù)學(xué)模型

實際情況中，一般溝槽密封尺寸的單邊公差為名義尺寸的a%，密封圈正公差一般為名義尺寸的b%。此時，保證密封圈截面積與溝槽截面積的相應(yīng)關(guān)系就能保證密封性的同時保證密封圈不被損壞，則：

[πd24×1+0.032≤A2×1-0.012]? ? ? &nbsp; ? ? ?（6）

設(shè)[K2=1-a21+b2]，即[K=1-a1+b]，又[d=A+Δα]，解得[A=πΔα2K-π]。

為了保證密封性能，密封圈過盈量一般選擇0.3、0.4、0.5mm，溝槽單邊公差1%、密封圈正公差3%。帶入方程，解得A=3.452mm、4.603mm、5.753mm。

密封圈尺寸與溝槽尺寸關(guān)系如圖4所示。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第01期_103595＼Image＼KBL4$（WA@D`G{{E5_5AAXR8.png>[][密封溝槽最小寬度mm][溝槽尺寸][過贏量mm][7

6

5

4

3

2

1

0][0.3][0.4][0.5]

圖4 密封圈尺寸與溝槽尺寸曲線圖

根據(jù)A的方程可知，A關(guān)于[Δα]的函數(shù)為一次單增函數(shù)，解得的A為關(guān)于[Δα]的最小值。

根據(jù)上述計算，實際需求密封圈與密封溝槽尺寸都較大。對于精密液壓元件來說，密封溝槽和密封圈選擇都較大，需通過控制溝槽的最小尺寸和密封圈最大尺寸來保證選擇較小的密封圈來滿足要求，且密封圈公差選擇要滿足密封過盈量的要求。通過增加溝槽的寬度和減小密封圈的最大截面直徑的方式，保證可以選擇較小的密封圈。精密液壓元件密封圈直徑一般選擇Φ3.75mm及以下的密封圈，而不考慮實際公差，密封圈的最小直徑Φ2.33mm。因此，密封圈一般選擇Φ2.8、Φ3.15、Φ3.75mm的密封圈。密封量一般為密封圈直徑的8%～15%，相對公差對應(yīng)的溝槽尺寸應(yīng)控制在（2.5±0.03）×（2.5±0.03）、（2.82±0.03）×（2.82±0.03）、（3.42±0.03）×（3.42±0.03）。密封圈的公差應(yīng)控制在（Φ2.8±0.1）mm、（Φ3.15±0.1）mm、（Φ3.75±0.1）mm。

4 結(jié)語

本文提供選擇雙面密封圈時的計算公式和密封圈、密封溝槽的選擇方式。在密封圈和密封溝槽較大如大于Φ5.8mm以上時，一般的公差等級即能夠滿足使用要求;當(dāng)密封圈在Φ2.8～Φ5.8mm時，應(yīng)當(dāng)合理控制溝槽和密封圈公差范圍，進(jìn)而滿足密封性能和密封圈不被損壞;當(dāng)密封圈直徑小于Φ2.8mm時，不能同時滿足密封能力和密封圈完整程度。此外，根據(jù)理論計算，給出了一般小型液壓元件使用的密封圈和密封溝槽建議使用公差范圍。

綜上所述，本文通過建立理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中對密封結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求，解決了精密液壓元件使用一個密封圈同時密封兩個高壓面的問題，并提供了標(biāo)準(zhǔn)的密封圈選擇和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，對提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性具有積極意義，且能整體上提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)緊湊性。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]中國航空工業(yè)總公司.O型密封圈及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：HB/Z4—1995[S].1995.

[3]中國航空工業(yè)總公司.O形橡膠密封圈 驗收規(guī)范：HB 7521—1997[S].1997.

[4]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)（上、下冊）[M].北京：高等教育出版社，2007.