橡膠O形圈的密封機(jī)理探討

郭文芳 焦亮 劉毅 孫思杰

摘要：橡膠O形圈是陶瓷工廠、建筑建設(shè)、航天器等領(lǐng)域重要的密封結(jié)構(gòu)形式之一，不僅密封性能優(yōu)秀價(jià)格也便宜，應(yīng)用極為廣泛?；诖耍瑸槭瓜鹉zO形圈充分發(fā)揮其密封性能，本文對(duì)其密封機(jī)理進(jìn)行深入探討，同時(shí)結(jié)合常見(jiàn)的泄露原因研究解決措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：橡膠O形圈;密封機(jī)理;泄露

引言：橡膠O形圈為截面形狀是圓形的環(huán)形橡膠密封件，多應(yīng)用于液壓設(shè)備，若是其密封性受到影響，容易使相關(guān)設(shè)備內(nèi)的流體和物質(zhì)滲漏，不僅會(huì)造成相關(guān)損失，還有可能引發(fā)安全問(wèn)題。因此，探討橡膠O形圈的密封機(jī)理、做好提前控制是必要的。

1.探討橡膠O形圈的密封機(jī)理

橡膠O形圈屬于密封結(jié)構(gòu)的一種，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且無(wú)論是制造生產(chǎn)還是安裝使用都較為簡(jiǎn)單，因此該密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用極為廣泛。當(dāng)橡膠O形圈用作固定密封結(jié)構(gòu)時(shí)，承受的壓力最高為400MPa，而且，橡膠O形圈密封構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，所以適用性較強(qiáng)，可用于端面、外徑等處。從當(dāng)前橡膠O形圈發(fā)展情況來(lái)看，較為常用的結(jié)構(gòu)主要有八種，分別為：孔用往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封、活塞桿用往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封、徑向固定密封、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸密封、端面倒角固定密封、軸向固定密封、外壓作用式軸向靜密封和內(nèi)壓作用式軸向靜密封。由于該密封件為擠壓型密封件，所以在使用時(shí)需要借助密封槽與其之間的預(yù)壓縮作用，利用產(chǎn)生的彈性變形滿足密封目標(biāo)。因此，其密封機(jī)理具體如下：

當(dāng)橡膠O形圈使用時(shí)，往往需要承受壓力P，比如壓縮空氣或是液壓油等，在該情況下，橡膠O形圈將會(huì)移至密封槽低壓側(cè)，隨著壓力的變化，橡膠O形圈與工作介質(zhì)之間還會(huì)產(chǎn)生附加的接觸應(yīng)力σc，在該應(yīng)力和初始接觸應(yīng)力σ0共同作用下，能夠有效實(shí)現(xiàn)密封目的。

建立指標(biāo)坐標(biāo)系，z軸假設(shè)為壓力P的作用方向，之后于橡膠O形圈中以隨意選取的方式選擇受力微元體，那么在壓力的作用下，其主要呈現(xiàn)壓縮應(yīng)力狀態(tài)。與此同時(shí)，按照x、y、z的順序其受力在坐標(biāo)軸上分別-σx、-σy和-P，其中，負(fù)號(hào)（-）和正好（+）分別代表壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的在x、y方向上的變形分別為εx和εy，線應(yīng)變分別為：εx=-σx/E+（P+σy）/E;εy=-σy/E+μ（P+σx）/E。其中，E、μ、εx和εy分別為材料彈性模量（Pa）、材料泊松比或橫向變形系數(shù)、受力微元體x方向的線應(yīng)變和y方向的線應(yīng)變。受力構(gòu)件軸線尺寸和橫向尺寸呈反比例關(guān)系，即前者伸長(zhǎng)則后者收縮，前者縮短則后者伸長(zhǎng)。但是，橫向變形系數(shù)不會(huì)超出一定范圍，二者的絕對(duì)值比代表著一個(gè)基本性能，具體數(shù)值需要根據(jù)橡膠O形圈的使用需要并由實(shí)驗(yàn)確定。

由于橡膠O形圈所使用的密封槽主要材質(zhì)為金屬材料，且剛性良好，因此即便壓力P存在，密封槽的線應(yīng)變也十分小，甚至可以將其等同于0。這意味著，εx與εy在x、y軸方向的線應(yīng)變也可看作為0，即：εx=-σx/E+（P+σy）/E=εy=-σy/E+μ（P+σx）/E=0，最終可以得到σc=σx=σy=μP/1-μ，即附加接觸應(yīng)力，σc。然而，單憑附加接觸應(yīng)力σc無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封，還需要通過(guò)壓縮產(chǎn)生的彈性變量獲得足夠的初始接觸應(yīng)力σ0，從而保證橡膠O形圈得以有效密封工作介質(zhì)[1]。

總而言之，在壓力P較高的情況下，橡膠O形圈安裝在密封槽中產(chǎn)生的彈性變量也較大，且二者呈正比例關(guān)系，所以，在一定范圍內(nèi)，附加接觸應(yīng)力σc越會(huì)隨著工作介質(zhì)壓力P的提升而加大，這就是橡膠O形圈得以有效密封的機(jī)理。

2.橡膠O形圈泄露原因及解決措施

2.1泄漏原因

從當(dāng)前情況來(lái)看，橡膠O形圈泄露原因主要有三，分別為：一是設(shè)計(jì)不合理，缺乏作業(yè)場(chǎng)景考慮，且較常出現(xiàn)擠入密封間隙損傷損壞，最終因變形、損壞影響密封性能，最終出現(xiàn)介質(zhì)滲漏;二是安裝及拆卸時(shí)出現(xiàn)損傷損壞，比如橫向孔洞的尖角或是硬度過(guò)高等，導(dǎo)致其拉伸變形較大，進(jìn)而出現(xiàn)損傷損壞;三是存在污染，且存儲(chǔ)不當(dāng)，橡膠O形圈出現(xiàn)老化。

2.2解決措施

首先，科學(xué)設(shè)計(jì)橡膠O形圈，綜合考慮設(shè)計(jì)內(nèi)容，保證其性能參數(shù)和構(gòu)造合理。在設(shè)計(jì)制造橡膠O形圈時(shí)，應(yīng)分析該密封件的應(yīng)用環(huán)境，比如是用作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封還是往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封，進(jìn)而開(kāi)展差異化設(shè)計(jì)制造工作。同時(shí)，掌握應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況，例如溫度大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度高低等，在對(duì)各方面綜合分析后選擇合適規(guī)格的橡膠O形圈和密封構(gòu)造。此外，還要做好密封槽的加工制造質(zhì)量把控，一般按照軸向、活塞、活塞桿等溝槽尺寸選用，為保證槽口和槽底的圓柱面之間同軸度，應(yīng)采用圓角光滑連接，并檢查橡膠O形圈質(zhì)量，使其表面光潔，不存在損傷損壞。值得注意的是，選擇合適的密封間隙，這是因?yàn)閷?duì)于橡膠O形圈而言，相對(duì)運(yùn)動(dòng)耦合面應(yīng)具有供潤(rùn)滑油膜層形成的間隙，通常狀況下，橡膠O形圈硬度和介質(zhì)壓力p決定間隙大小。若是間隙不合理，不僅會(huì)影響制造裝配，還會(huì)造成介質(zhì)泄露。因此，最好選用H8/f8或H9/f9的間隙配合，將表面粗糙值控制在1.6-0.8μm范圍內(nèi)，從而保證密封間隙合理。

其次，規(guī)范裝配流程。加工制造導(dǎo)向錐面，將潤(rùn)滑油均勻、適量涂抹在橡膠O形圈運(yùn)動(dòng)時(shí)途徑的桿件表面，降低摩擦阻力，為后續(xù)順利安全奠定基礎(chǔ)。若是需要涉及橫向孔洞，則要控制其截面直徑，保證其不大于橡膠O形圈內(nèi)徑，并在將其倒角加工為圓角，保證橡膠O形圈質(zhì)量。值得注意的是，實(shí)際安裝過(guò)程要足夠細(xì)心，不得造成拉伸變形[2]。

最后，保證環(huán)境干凈整潔，做好儲(chǔ)藏和保管工作。加強(qiáng)液壓油污染與防護(hù)，做好定期檢測(cè)與管理，清洗過(guò)濾芯、及時(shí)更換液壓油，其中，補(bǔ)充的液壓油要與原本液壓油品種相同等，以此保證橡膠O形圈的工作介質(zhì)清潔度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求。在儲(chǔ)藏和保管方面，主要使用聚四氟乙烯塑料袋，以密封的形式保存橡膠O形圈，做好信息標(biāo)識(shí)并防至干燥、通風(fēng)性能良好以及較為陰涼的位置。

結(jié)論：綜上所述，為充分發(fā)揮橡膠O形圈的密封性能，應(yīng)對(duì)其密封機(jī)理進(jìn)行深入研究，明確該密封件良好密封效果的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，進(jìn)而在后續(xù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選用、安裝、存儲(chǔ)等方面科學(xué)、合理進(jìn)行，滿足實(shí)際使用需要，避免出現(xiàn)工作介質(zhì)滲漏現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡祖光. 陶瓷工廠常用O形橡膠密封圈的泄露及其解決途徑[J]. 佛山陶瓷，2020，30（12）：32-40.

[2]蔡祖光. 建筑材料生產(chǎn)企業(yè)O形橡膠密封圈及其應(yīng)用（二）[J]. 磚瓦，2019（8）：27-32.