O型圈密封沟槽设计

1、O型圈密封的设计原则

1）压缩率

压缩率W通常用下式表示：

W= (do-h)/do%

式中 do—O形圈在自由状态下的截面直径（mm）

h —O形圈槽底与被密封表面的距离，即O形圈压缩后截面高度（mm）

在选取O形圈的压缩率时，应从如下三个方面考虑：

a.要有足够的密封接触面积

b.摩擦力尽量小

c.尽量避免永久变形。

从以上这些因素不难发现，它们相互之间存在着矛盾。压缩率大就可获得大的接触压力，但是过大的压缩率无疑会增大滑动摩擦力和永久变形，而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O形圈误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此，在选择O形圈的压缩率时，要权衡个方面的因素，一般静密封压缩率大于动密封，但其极值应小于30%(和橡胶材料有关），否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。

O 形圈密封压缩率W的选择应考虑使用条件，静密封或动密封；静密封又可分为径向密封与轴向密封；径向密封（或称圆柱静密封）的泄漏间隙是径向间隙，轴向密封（或称平面静密封）的泄漏间隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于O形圈的内径还是外径又分受内压和外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的静密封，密封介质对O形圈的作用力方向是不同的，所以预压力设计也不同。对于动密封则要区分是往复运动还是旋转运动密封。

1.    静密封：

圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样，一般取W=10%~15%；平面密封装置取W=15%~30%。

2.    动密封:

动密封分为三种情况：

a.往复运动密封一般取W=10%~15%。

b.旋转运动密封在选取压缩率时必须要考虑焦耳热效应，一般来说，旋转运动用O形圈的内径要比轴径大3%~5%，外径的压缩率W=3%~8%。

c.低摩擦运动用O形圈，为了减小摩擦阻力，一般均选取较小的压缩率，即 W=5%~8%。

此外，还要考虑到介质和温度引起的橡胶材料膨胀。通常在给定的压缩变形之外，允许的最大膨胀率为15%，超过这一范围说明材料选用不合适，应改用其他材料的O形圈，或对给定的压缩变形率予以修正。压缩变形的具体数值，一般情况下，各国都根据自己的使用经验制订出标准或给出推荐值。

2）拉伸量

O形圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率不一样，拉伸量的大小对O形圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。拉伸量大不但会导致O形圈安装困难，同时也会因截面直径do发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量α可用下式表示：

α=(d+do)/（d1+do）

式中   

       d——轴径（mm）；

      d1——O形圈的内径（mm）；

       do——O形圈的截面直径（mm）。

3）接触宽度

O形圈装入密封沟槽后，其横截面产生压缩变形。变形后的宽度及其与轴的接触宽度都和O形圈的密封性能和使用寿命有关，其值过小会使密封性受到影响；过大则增加摩擦，产生摩擦热，影响O形圈的寿命。

O形圈变形后的宽度BO（mm）与O形圈的压缩率W和截面直径do有关，可用下式计算

BO={1/(1-W)-0.6W}do   （W取10%~40%）

O形圈与轴的接触面宽度b（mm）也取决于W和do：

b=(4W2+0.34W+0.31)dO   ( W取10%~40%)

对摩擦力限制较高的O形圈密封，如气动密封、液压伺服控制元件密封，可据此估算摩擦力。

2、O型圈沟槽设计

O型圈沟槽设计包括确定沟槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙度等，其设计的原则是加工容易，尺寸精度容易保证，同时也要保证O型密封圈安装拆卸方便等。O型圈的沟槽设计槽宽不宜太窄，特别在动密封情况下，如果O型密封圈截面填满了槽的截面，那么运动时的摩擦阻力将会特别大，因为这时的O型密封圈无法滚动的，同时会引起严重的磨损。当然，槽宽也不宜过宽，因为太宽的时候O型密封圈的游动范围很大，也很容易磨损。特别是静密封的时候，如果工作压力是脉动的话，它将在不适宜的宽槽以同样的脉动频率游动，出现异常磨损，O型密封圈很快就损坏了。

O型圈沟槽槽宽设计主要原则：

1. 槽宽应大于O型圈压缩变形后的最大直径（垂直压缩方向的尺寸）；

2. 应考虑O型圈运动发热引起的膨胀和介质引起的溶胀；

3. 动密封工况下应考虑往复运动时槽内有一定的空间使O型密封圈滚动自如。一般情况下，O型密封圈的截面面积至少应用应占矩形槽截面面积的85%。在许多工况下取槽宽为O型密封圈截面直径的1.5倍。

1.沟槽形状

矩形沟槽是液压气动用O型密封圈使用最多的沟槽形状。这种沟槽的优点是加工容易，便于保证O型密封圈具有必要的压缩量。除矩形沟槽外，还有V形、半圆形、燕尾形和三角形等型式的沟槽。三角形沟槽截面形状是以M为直角边的等边直角三角形。截面积大约为O型圈截面面积的1.05~1.10倍。三角形沟槽式密封装置在英国、美国、日本等国家均有应用。设计的原则是O型密封圈内径的公称尺寸相等。

密封沟槽即可开在轴上，也可开在孔上;轴向密封则沟槽开在平面上。

2.槽宽的设计

密封沟槽的尺寸参数取决于O型密封圈的尺寸参数。沟槽尺寸可按体积计算，通常要求矩形沟槽的尺寸比O型圈的体积大15%左右，(经验手段：槽宽一般可以采用O型圈线径*1.2~1.3)。

3.槽深的设计

沟槽的深度主要取决于O型密封圈所要求的压缩率，沟槽的深度加上间隙，至少必须小于自由状态下的O型圈截面直径，一般小于10%-15%，以保证密封所需的O型圈压缩的变形量，(经验手段：槽深一般可以采用O型圈线径/1.2~1.4)。

4.槽口及槽底圆角的设计

沟槽的外边口处的圆角是为了防止O型圈装配时刮伤而设计的。它一般采用较小的圆角半径，即r=0.1~0.2mm。这样可以避免该处形成锋利的刃口，O型圈也不敢发生间隙挤出，并能使挡圈安放稳定。沟槽槽底的圆角主要是为了避免该处产生应力集中设计的。圆角半径的取值，动密封沟槽可取R=0.3~1mm，静密封沟槽可取其O型圈截面直径的一半。

5.间隙的设计

间隙往复运动的活塞与缸壁之间必须有间隙，其大小与介质工作压力和O型圈材料的硬度有关。间隙太小，制造、加工困难;间隙太大，O型圈会被挤入间隙而损坏。一般内压越大，间隙越小;O型圈材料硬度越大，间隙可放大。当间隙值在曲线的左下方时，将不发生间隙咬伤即“挤出”现象。间隙的给定数值与零件的制造精度有很大关系。

6.槽壁粗糙度

密封沟槽的表面粗糙度，直接影响着O型圈的密封性和沟槽的工艺性。静密封用O型圈工作过程中不运动，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm，对于往复运动用O型圈，因常在槽内滚动，槽壁与槽底的粗糙程度应到低一些，要求在Ra=1.60μm以下。旋转运动用的O型圈一般在沟槽内是静止的，要求轴的粗糙度Ra=0.40μm或者抛光。

注：线径没有的尺寸可依据比例关系进行计算

3、挡圈应用

当压力增加，O形圈与挡圈互相挤压，由于它们是弹性体，两者同时发生变形，此变形首先向它们的上下两角扩展，直到压力超过10.5MPa。这种变形一直在两者之间进行，而不致使挡圈发生“挤出”现象。根据挡圈材料和结构形式的不同，其承压能力提高的程度也不同。当压力足够大时，挡圈也会产生“挤出”现象。

O形圈使用挡圈后，工作压力可以大大提高。静密封压力能提高到200~700MPa；动密封压力也能提高到40MPa。挡圈还有助于O形圈保持良好的润滑。如果单向受压，则在承受侧用一个挡圈；如果双向受压则用两个挡圈。对于静密封，内压在32MPa以下不用挡圈，超过此值用挡圈。使用挡圈后虽可防止O形圈发生“间隙咬伤”现象，但会增加密封装置的摩擦阻力。

挡圈的材料有皮革、硬橡胶和聚四氟乙烯等，也有尼龙6和尼龙1010的。而以聚四氟乙烯挡圈最为常用。聚四氟乙烯作为挡圈材料有下列有点。

1）工作精度高。

2）耐化学品性能优异，可用于几乎所有的介质。

3）无硬化破损现象。

4）使用温度范围宽。

5）摩擦力小。

6）无吸水性。

7）在177℃温度下不发生老化等。

天津海密科技有限公司

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