O型圈在機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

孫長軍

摘 ?要：機(jī)電設(shè)備中的密封形式多種多樣，采用的密封結(jié)構(gòu)也種類繁多，O型圈以其結(jié)構(gòu)簡單、材料多樣、安裝簡單、密封性能好的特點(diǎn)在機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，本文將就其特點(diǎn)、材料、安裝及維護(hù)等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：O型圈 ?密封 ?密封機(jī)理

1、概述

O型圈是安裝在溝槽中、通過接觸面擠壓O形截面的密封環(huán)。在動(dòng)密封或靜密封的應(yīng)用中O型圈是一種方便而且有效的密封元件。O型圈在模具中加工制作成型，其尺寸有內(nèi)徑d1和截面直徑d2來表示（見圖一）。與其他密封元件相比，O型圈有以下優(yōu)點(diǎn)：

①整體式的溝槽設(shè)計(jì)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)成本;

②設(shè)計(jì)緊湊，減小了零件的尺寸;

③容易安裝，降低了出差錯(cuò)的概率;

④應(yīng)用的范圍廣，選擇相匹配型號(hào)、規(guī)格尺寸與材質(zhì)的O型圈，可以密封幾乎所有的液體或氣體介質(zhì);

⑤規(guī)格種類齊全，方便維護(hù)與修理。

2、密封機(jī)理

無論是受周圍機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械壓力作用還是液壓流體傳遞的壓力作用，這種“高粘度流體”在溝槽中“流動(dòng)”，形成“零間隙”，或者說阻止了被其密封的流體的流動(dòng)。橡膠的彈性補(bǔ)償了制造和配合公差，其材料內(nèi)部的彈性記憶是維持密封的主要條件。密封圈在各個(gè)受力狀態(tài)下對(duì)密封介質(zhì)的密封作用如下：

O型圈在安裝后，未施加系統(tǒng)壓力，此時(shí)O型圈受溝槽的機(jī)械壓力，其截面已不是圓形，它關(guān)閉了流體的通道。

O型圈在系統(tǒng)壓力作用下，被擠向配合面之間的狹窄間隙，從而獲得了更大的接觸面積和密封應(yīng)力，起到對(duì)流體的密封作用。

O型圈所受壓力達(dá)到了它的壓力極限，有一小部分密封材料被擠進(jìn)了溝槽間隙，導(dǎo)致O型圈失效。

由于系統(tǒng)壓力的進(jìn)一步加大，密封件的表面張力已不足以阻止“流動(dòng)”，被擠到開放的通道或間隙中，導(dǎo)致O型圈被擠出失效。

3、應(yīng)用范圍

靜密封

絕對(duì)靜密封是指配合的零件之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)（少量的熱膨脹或流體壓力引起的相對(duì)分離除外）。由于在幾乎所有的靜態(tài)應(yīng)用中都有振動(dòng)，所以絕對(duì)的靜密封實(shí)際上很少的。

靜密封在機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用如軟管或硬管接頭處的密封，端蓋下的密封件，螺絲頭或鉚釘下的密封等。

往復(fù)密封

配合的表面存在著沿著軸向做相對(duì)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致O型圈滑動(dòng)或滾動(dòng)，或者說O型圈的密封表面隨著這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)做前后的運(yùn)動(dòng)。如：油缸的活塞、活塞桿、柱塞等。

擺動(dòng)密封

O型圈所密封的內(nèi)外元件繞旋轉(zhuǎn)軸有圓周相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于旋轉(zhuǎn)密封而言，擺動(dòng)密封有雙向運(yùn)動(dòng)?？梢园延锌v向運(yùn)動(dòng)（由螺紋引起的）的旋轉(zhuǎn)也歸入擺動(dòng)密封。如：閥門閥桿所用的O型圈密封。

旋轉(zhuǎn)密封

在旋轉(zhuǎn)密封中，O型圈內(nèi)部元件或外部元件繞旋轉(zhuǎn)軸沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如：電機(jī)或發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)密封。

閥座密封

在閥座密封中。O型圈作為一個(gè)接觸元件阻擋了流動(dòng)通道。關(guān)閉流動(dòng)通道的運(yùn)動(dòng)使得O型圈變形，從而實(shí)現(xiàn)密封效果。

氣動(dòng)密封

用在氣體或蒸汽中的密封，可以是前面所述五種密封中的任何一種形式。在這類密封中，O型圈的潤滑很重要。

真空密封

真空密封式用來形成真空環(huán)境或用于真空容器中的密封。

緩沖安裝

在這類應(yīng)用中，O型圈通過自身的變形吸收沖擊力或振動(dòng)。O型圈需要妥善地安放在溝槽中。

壓垮安裝

這是靜密封的一種形式。O型圈被壓垮到非標(biāo)準(zhǔn)截面的溝槽中。盡管這也是一種有效的密封形式，但O型圈已發(fā)生永久變形，不可重復(fù)使用。

防塵圈

O型圈用來對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞桿進(jìn)行清潔，以免其內(nèi)側(cè)的其他密封件損壞。如有壓力堆積（困油）現(xiàn)象，則兩個(gè)密封件間要有泄荷設(shè)計(jì)。

傳動(dòng)帶

O型圈可以用來做小功率的傳動(dòng)帶。

4、材料的選擇

O型圈常用的標(biāo)準(zhǔn)材料有丁腈橡膠（NBR）、氟橡膠（FKM、FPM）、乙丙橡膠（EPDM、EPM）、腈化丁腈橡膠（HNBR）、硅橡膠（VMQ、Q、MQ、PVMQ）、氯丁橡膠（CR）、氟硅橡膠（FVMQ）、聚氨酯（AU、EU）、氯醇橡膠（CO、ECO、GECO）、丁苯橡膠（SBR）、丁基橡膠（IIR）、天然橡膠（NR）、乙烯/丙烯酸橡膠（AEM）、聚丙烯酸酯橡膠（ACM）、全氟橡膠（FFKM）。

每種材料都有其特定的硬度和溫度范圍，由于其使用環(huán)境的溫度、壓力等不同，選擇的材料也不相同;因此，選擇O型圈的材料時(shí)一定要綜合考慮其應(yīng)用范圍的各個(gè)技術(shù)參數(shù)及其相互間的影響。

5、使用注意事項(xiàng)

安裝建議

安裝前要仔細(xì)檢查O型圈及溝槽，如O型圈是否有破損、污染、規(guī)格尺寸、材質(zhì)等，溝槽的尺寸、槽內(nèi)是否有雜物如加工殘余、臟物外來顆粒等;安裝過程中要保證使用的工具無銳邊，O型圈不扭曲、不得過量拉伸等。

充分考慮O型圈的壓縮率，選擇合適尺寸的O型圈

O型圈在溝槽中的初始擠壓量對(duì)其密封作用是不可缺少的，要充分考慮安裝密封接觸應(yīng)力、配合間隙、適量的摩擦力、伸長或壓縮變形和磨損等因素;對(duì)于不同的應(yīng)用場合其壓縮率（初始變形量與界面直徑d2的比例）是不相同的，動(dòng)密封、靜密封中壓縮率分別為6%-20%、15%-30%。

O型圈的壓縮率與采用的材料有關(guān)系，材料硬度主要決定了所受到的壓力的大小。

拉伸與壓縮是O型圈在溝槽中存現(xiàn)的兩種形態(tài)，在徑向密封的結(jié)構(gòu)中，O型圈裝在內(nèi)溝槽中（作為“外圓密封”）將受到拉伸，最大圓周伸長量為3%（d1>50mm）或5%（d1<50mm）;O型圈裝在外溝槽中（作為“內(nèi)圓密封”）將被壓縮，其最大圓周壓縮量為1%。如果超過所能承受的拉伸或壓縮量，會(huì)導(dǎo)致O型圈截面尺寸過度變化，其使用壽命也會(huì)受到影響。

選擇O型圈的技術(shù)參數(shù)

O型圈有著廣泛的應(yīng)用環(huán)境，為了評(píng)估其在某種具體的應(yīng)用效果，必須對(duì)其工作的具體環(huán)境工作參數(shù)及其相互之間的影響充分考慮，主要從工作壓力、速度、溫度、介質(zhì)等幾個(gè)方面選擇。介質(zhì)的不同、溫度的差別O型圈采用的材料也就不同，速度和壓力的不同O型圈的結(jié)構(gòu)也就不同。

擠出極限和間隙

O型圈在溝槽中受介質(zhì)壓力作用下，有彈性變形發(fā)生，“流”向間隙位置，達(dá)到密封效果。隨著壓力的增加，O型圈的變形將會(huì)增大，其彈力與摩擦力也將增加，從而獲得更緊的密封。當(dāng)O型圈受很大的壓力時(shí)，會(huì)被擠入到間隙中，導(dǎo)致密封失效。擠出間隙的大小取決于O型圈的硬度、介質(zhì)工作壓力和溫度、溝槽間隙大小。如果溝槽的公差偏差較大，會(huì)導(dǎo)致O型圈從間隙中擠出。所以在設(shè)計(jì)、選擇及安裝的過程中一定要注意O型圈的尺寸和溝槽尺寸的配合，從而獲得更好的間隙配合。達(dá)到更好的密封效果。

存儲(chǔ)方式、期限及控制

O型圈通常作為備件要存儲(chǔ)較長時(shí)間，如果存儲(chǔ)環(huán)境不當(dāng)，比如有熱源、潮濕、電離、輻射、接觸油品或溶劑等，這些都會(huì)引起O型圈的物理及化學(xué)性質(zhì)改變，從而導(dǎo)致其失效。因此存儲(chǔ)O型圈要有一個(gè)合適的存儲(chǔ)條件，要根據(jù)其說明書上的存儲(chǔ)要求去保存。比如溫度在5℃～25℃，相對(duì)濕度低于70%，避免太陽光爆曬及含紫外線的光源，要在其自由狀態(tài)下放置，不得拉伸、受壓或其他變形，避免與化學(xué)藥劑接觸，不得與磁性材料、能損壞橡膠的金屬材料接觸，不同材料的O型圈禁止混裝等等。

6、失效及對(duì)策

序號(hào) 問題描述 產(chǎn)生原因 解決辦法

1

O型圈本體出現(xiàn)整齊傷口 溝槽在加工過程中存在邊角鋒利;密封件尺寸不適合; 打磨鋒利邊角;溝槽設(shè)計(jì)更加合理;選擇尺寸合適的密封件;

2

O型圈有卷曲情況 安裝造成，溝槽表面光度不符合要求，尺寸不均勻，潤滑不足;材料太硬或彈性太小;O型圈表面處理不均勻; 正確安裝，潤滑到位，溝槽設(shè)計(jì)及表面光潔度滿足要求，選用高彈性型材料，也可使用支撐環(huán);

3

O型圈過度壓縮，接觸表面壓成平面，或伴隨裂紋 壓力過大，沒有考慮到材料使用特性。 選擇時(shí)要考慮到材料特性與使用范圍。

4

O型圈出現(xiàn)有粗糙破爛的邊緣。 O型圈尺寸不合適，間隙過大;壓力過大;材料硬度或彈性太低; 選擇合適的尺寸，減小間隙尺寸，選用適合硬度或彈性的材料;

5

O型圈接觸表面永久性變形。 壓力過大;溫度過高;材料本身永久變形率過高; 選擇彈性較好的材料;確認(rèn)材料使用條件;

6

O型圈被化學(xué)腐蝕。 材料與介質(zhì)不符或使用的溫度不適合; 選擇相適應(yīng)耐介質(zhì)化學(xué)腐蝕的材料;

7

O型圈的接觸面有徑向裂紋。 工作條件下的溫度過高或溫度變化過于頻繁 選擇抗高溫性能的材料;

8

O型圈密封區(qū)域有磨損，能發(fā)現(xiàn)材料磨損的顆粒; 密封表面光潔度不夠;密封環(huán)境有磨損性強(qiáng)的污物;O型圈表面處理不干凈; 溝槽、密封面光潔度滿足要求，清除造成磨損的污物;

9

O型圈表面有氣泡、凹坑、疤痕; 材料的材質(zhì)不匹配;壓力變化快; 選擇相匹配材質(zhì)的材料，盡可能降低壓力變化速度;

10

O型圈材料截面尺寸減小，有氣體析出。 材料制作加工處理不當(dāng);材料耐磨性不足;使用了帶有增塑劑的材料。 合適的材料加工工藝，選擇耐磨性的材料。

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