張漢軍，李中才，劉繼，何宇明，李辛沫

（1.喬登衛(wèi)浴（江門）有限公司，廣東江門529000；2.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門529020）

廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈失效分析與對(duì)策研究

張漢軍1，李中才1，劉繼1，何宇明2，李辛沫2

（1.喬登衛(wèi)浴（江門）有限公司，廣東江門529000；2.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門529020）

介紹和分析了當(dāng)前廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈五種常見失效現(xiàn)象及其成因，包括材料不達(dá)標(biāo)、結(jié)構(gòu)不合理、定位方式不科學(xué)、膠圈材質(zhì)老化以及配伍件表面質(zhì)量欠佳等原因所導(dǎo)致的防漏效能下降，在此基礎(chǔ)上從制作、裝配和使用等角度總結(jié)提出了有針對(duì)性的解決策略，可為今后進(jìn)一步改善軸基O型圈的防漏性能并進(jìn)而提高水龍頭生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性、均勻性和一致性提供了有價(jià)值的依據(jù)。

O型圈；泄露；密封；失效分析；對(duì)策

基于橡膠材質(zhì)O型圈的密封方式以其所具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用[1]。在水暖器材行業(yè)當(dāng)中就普遍使用O型圈作為廚衛(wèi)龍頭等器具的軸基密封構(gòu)件，在該領(lǐng)域，當(dāng)下密封件的應(yīng)用需求基本在中等精度、中小規(guī)格范圍以內(nèi)，其密封對(duì)象以飲用、沐浴等溫度不超過100℃的清水或者類似的介質(zhì)為主，長(zhǎng)期工作環(huán)境壓強(qiáng)小于或等于0.5 MPa、高強(qiáng)度測(cè)試環(huán)境下壓強(qiáng)一般不超過3.5 MPa.由于O型圈易損易耗，當(dāng)其失效后會(huì)造成龍頭滴漏嚴(yán)重而影響使用體驗(yàn)，同時(shí)也不利于節(jié)水和環(huán)保。鑒于此，本文以廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈作為研究對(duì)象，通過總結(jié)它在實(shí)際使用環(huán)境下的各種失效形式，探討其產(chǎn)生泄漏的原因和機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出面向軸基O型圈的具體防漏對(duì)策，為今后設(shè)計(jì)和制造中高端廚衛(wèi)龍頭提供一個(gè)有價(jià)值的參照依據(jù)。

1軸基O型圈密封原理分析

目前廚衛(wèi)龍頭軸基所用的O型圈，它的本體在自由狀態(tài)下一般呈現(xiàn)為圓形截面（如圖1a所示），經(jīng)安裝就位后會(huì)變形為一個(gè)類橢圓狀，通過彈性體受壓變形而在密封接觸面上產(chǎn)生一定的接觸壓力，當(dāng)該接觸壓力大于內(nèi)介質(zhì)泄漏壓力時(shí)則可起到密封作用[2]。為了使O型圈能夠正常發(fā)揮作用，基本采用“抱軸”式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖1b所示），亦即軸基有一道環(huán)形密封槽以容納O型圈，其截面直徑（線徑）為d，內(nèi)徑為d1，軸基環(huán)形密封槽直徑為d3，密封孔徑為d2.不難發(fā)現(xiàn)，軸基O型圈的安裝難易程度以及密封效果主要與O型圈本身有關(guān)，而且與軸基環(huán)形槽直徑d3和寬度、以及對(duì)應(yīng)的密封座孔的內(nèi)徑d2等密切相關(guān)。

圖1 水龍頭軸基O型圈結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

圖2是軸基O型圈在不同安裝結(jié)構(gòu)配伍下其密封狀況的示意圖。其中，圖2（a）所示為軸基環(huán)形槽相對(duì)于O型圈本體具有較寬裕的槽寬，此時(shí)O型圈處在安裝過程中，其密封截面受到密封座孔及龍頭軸基槽底的上下壓縮而發(fā)生變形，并在材料彈性的作用下產(chǎn)生反彈力而壓緊座孔及軸基孔軸以形成有效密封面，在此狀況下O型圈向左右兩側(cè)脹起以釋放內(nèi)部應(yīng)力。顯然，安裝的摩擦阻力只與O型圈的彈性反力及摩擦系數(shù)有關(guān)。圖2（b）所示為O型圈在較窄軸基環(huán)槽寬度下的裝配狀況，此時(shí)O型圈本體同時(shí)受到上下左右的封迫壓縮，被向內(nèi)擠壓的材料只能向位置狹小的四角脹起釋放內(nèi)部應(yīng)力，由于向四角脹起變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力更大，所以密封四邊擠壓的安裝摩擦阻力，不僅與O型圈的材料彈性反作用力及摩擦系數(shù)有關(guān)，而且還受到左右兩側(cè)的擠壓而產(chǎn)生增強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力作用，這種過度變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使O型圈由于膨脹力太大而過硬，結(jié)果造成退讓性變差和摩擦阻力變大，會(huì)造成難以安裝的狀況，特別地如果遇上比較極端的情況，O型圈也可能由于表面過硬而在安裝過程中被孔口尖角剪切破壞、或者因過度擠壓使材料內(nèi)部破壞，從而導(dǎo)致永久性變形并失去彈性。

圖2（c）所示為正常軸基結(jié)構(gòu)參數(shù)的O型圈在使用環(huán)境下其密封行為的表現(xiàn)示意圖，很顯然密封O型圈受到水壓的推力作用而向非受壓端移動(dòng)，并依靠軸基槽的側(cè)壁止推而限位，此時(shí)軸基槽的側(cè)壁高度符合規(guī)范并足以包納O型圈本體側(cè)推支撐接觸面。如圖2（d）所示為軸基側(cè)壁高度不夠時(shí)O型圈的行為表現(xiàn)示意圖，此時(shí)由于軸基側(cè)壁有效高度不足而難以包納O型圈本體的側(cè)推支撐接觸面，結(jié)果造成O型圈本體局部被擠入密封間隙內(nèi)而發(fā)生咬傷損壞。

圖2 水龍頭軸基O型圈安裝狀態(tài)分析

2軸基O型圈常見失效原因分析

2.1 材料原因：材質(zhì)不達(dá)標(biāo)致使失效

不同的O型圈生產(chǎn)廠家其產(chǎn)品質(zhì)量存在著較大的差異，主要表現(xiàn)在材質(zhì)不達(dá)標(biāo)以及由此造成的硬度不穩(wěn)定、彈性不足易出現(xiàn)永久性變形等[3]，未到正常壽命即出現(xiàn)擠邊破損、硬化變形、過度磨損等而致使密封失效。

2.2 零件結(jié)構(gòu)不合理致使失效

如圖3（a）所示，由于裝配管軸的座孔邊緣未設(shè)計(jì)有倒角而形成銳角尖峰，由此在裝配導(dǎo)入管軸時(shí)極易對(duì)O型圈產(chǎn)生剪切作用而造成膠圈表面損傷，直至影響O型圈的使用壽命。

2.3 緊定側(cè)隙原因致使失效

如圖3（b）所示某些結(jié)構(gòu)的水龍頭產(chǎn)品，其需要在被密封管外柱面配以緊定螺釘作為軸向定位的抓手、或者以防止軸向竄位，當(dāng)緊定螺釘施力后管軸將在其緊固推力的作用下偏向座孔一側(cè)，結(jié)果會(huì)在緊固螺釘這一側(cè)形成較大的側(cè)隙，若此時(shí)緊定螺釘?shù)木o固位置比較靠近密封位置的話則易造成上述側(cè)隙大于O型圈的壓緊密封量，那么將在施力側(cè)會(huì)產(chǎn)生滲漏失效。

圖3 軸基與O型圈若干裝配結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)實(shí)例圖

2.4 膠圈老化原因致使失效

O型圈膠圈的材質(zhì)無論什么品質(zhì)，最終都將會(huì)出現(xiàn)老化而造成密封失效，即便是在正常使用下管道內(nèi)水壓波動(dòng)、水流速度、水溫度交替變化等都會(huì)對(duì)O型圈產(chǎn)生影響，其中又以高水溫是為加快老化速度的最顯著影響因素[4]。

2.5 表面質(zhì)量不佳致使失效

與O型圈作密封相配合的面應(yīng)該具有較好的表面質(zhì)量，包括表面粗造度和硬度，當(dāng)配合面的表面質(zhì)量較差時(shí)無法形成連續(xù)的和可靠的密封面，一方面會(huì)從粗糙的微細(xì)線隙中滲漏而失效，另一方面會(huì)造成O型圈本體出現(xiàn)損傷而致使失效，極端情況下還會(huì)造成軸基及安裝座孔配合面的損傷。

除了上述五種常見失效原因外，O型圈的線徑越細(xì)小，其在相同條件下生成的密封面則越窄，受尺寸、表面質(zhì)量的影響也就越大，可靠性也越差，換言之失效的幾率將大大增加。

3防漏技術(shù)對(duì)策研究

3.1 保障O型圈材料品質(zhì)

O型圈所用的彈性材料必須具有較好的耐水、耐油、耐壓性能，亦即耐候性要好。最廣泛使用的是丁晴橡膠以及氟橡膠。O型圈品質(zhì)可以通過選購(gòu)業(yè)界口碑好的廠家的產(chǎn)品來得到保障，但與此同時(shí)由于O型圈確實(shí)存在短期內(nèi)可靠性不易檢驗(yàn)的情況，所以定位于高中檔衛(wèi)浴產(chǎn)品的企業(yè)或許有必要花費(fèi)一定的時(shí)間和資金對(duì)O型圈進(jìn)行性能與壽命的測(cè)試與檢驗(yàn)。

3.2 保障O型圈與密封環(huán)槽選配合理

如圖4所示，容納O型圈抱軸的部位，即環(huán)形密封槽的形狀及尺寸槽寬W、槽深H的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)該依據(jù)工程規(guī)范進(jìn)行選用。

圖4 水龍頭軸基O型圈密封槽尺寸示意圖

一般龍頭中O型圈是圓柱面旋轉(zhuǎn)密封，其軸基密封環(huán)槽的結(jié)構(gòu)尺寸可參照表1.

表1 水龍頭軸基O型圈密封槽尺寸規(guī)范/mm

3.3 保障配合副的表面質(zhì)量得當(dāng)

一般認(rèn)為表面質(zhì)量越高，即粗糙度值越小表面越光滑，密封效果越好。另外，軸基環(huán)槽及座孔表面的硬度越高也越有利提高O型圈的工作可靠性。為此可通過電鍍手段提高管座及軸頸的表面質(zhì)量。

3.4 保障裝配工藝的合理規(guī)范

在裝配O型圈的過程中，應(yīng)遵循工藝規(guī)范，比如使用專門的工裝來輔助裝配，在裝配時(shí)在O型圈配合處在涂抹潤(rùn)滑油脂再裝入龍頭密封部位等等，另外要配合必要的檢驗(yàn)檢測(cè)裝置以及合理的檢漏程序。

3.5 保證全部配件符合“三性”要求

無論是O型圈還是軸基管套抑或是座孔等，均需要它們滿足和符合“穩(wěn)定性”、“均勻性”和“一致性”的三性要求，亦即構(gòu)件的材料性能必須須耐候性好以便能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，另外工件的各部位性能尤其是各處的表面質(zhì)量必須保證均勻一致，還有無論制造質(zhì)量還是裝配質(zhì)量都要應(yīng)該做到質(zhì)量的一致性。

4結(jié)論

水龍頭是當(dāng)下非常普及的水暖器材，其使用范圍和使用頻率非常之廣泛，而水龍頭的軸基O型圈滲水和抱軸不穩(wěn)是十分常見的故障，對(duì)顧客的使用體驗(yàn)有著嚴(yán)重負(fù)面的影響，故密封性能優(yōu)良始終是中高檔產(chǎn)品的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之一。本文通過剖析現(xiàn)有水龍頭O型圈失效的各種現(xiàn)象和成因，總結(jié)了提高水龍頭O型圈和其配伍管套及座孔生產(chǎn)配合質(zhì)量的途徑，包括提高制作質(zhì)量與裝配質(zhì)量的具體措施，對(duì)保障水龍頭生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性、均勻性和一致性十分有益，為今后進(jìn)一步改善水龍頭O型圈的防漏效能提供了可資借鑒的依據(jù)。

[1]李忠國(guó)，龔烈航.O圈密封的應(yīng)用及進(jìn)展回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[J].潤(rùn)滑與密封，2002（02）：68-70.

[2]毛俐，黃爐平.O型密封圈與密封槽的選配與應(yīng)用[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2012（02）：65-71.

[3]王敬華，英霄.淺談O形圈靜密封在液壓元件中的實(shí)踐應(yīng)用[J].液壓?jiǎn)?dòng)與密封，2014（03）：66-68.

[4]黃興濤，鄭煒.淺談O型密封圈在薄壁不銹鋼管連接中的密封性與失效研究[J].給水排水，2015（41）：336-339.

[5]蔡能.淺談O形密封圈用溝槽尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2006（15）：71-72.

Failure Analysis and Countermeasure Study ofO-ring Seal forWater Tap

ZHANG Han-jun1，LIZhong-cai1，LIU Ji1，HE Yu-ming2，LIXin-mo2
（1.Joden（Jiangmen）Inc，Jiangmen Guangdong 529000，China；2.Wuyi University，Jiangmen Guangdong 529020，China）

The main way to prevent leakage of water tap is to use O-ring seal.Five common failure phenomena and causes of the O-ring seal were analyzesd，including disqualification of material，unreasonable structure，positioning methods，rubber material aging and surface quality.And then some countermeasures are proposed to improve the leak proof performance of the O-ring seal.Finally，these conclusions are helpful to improve the stability，uniformity and consistency of the quality of the water tap.

O-ring seal；leakage；sealing；failure analysis；countermeasure

TB42

A

1672-545X（2016）12-0199-03

2016-09-01

2014年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程-大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)基地項(xiàng)目（編號(hào)：粵教高函[2014]97）；2015年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程-機(jī)械工程應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)示范基地項(xiàng)目（編號(hào)：粵教高函〔2015〕133號(hào)）；2016廣東省本科高校高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：粵教高函〔2016〕236號(hào)）

張漢軍（1977-），男，湖北武漢人，本科，主要從事衛(wèi)浴五金產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造；劉繼（1986-），女，安徽蒙城人，本科，主要從事衛(wèi)浴五金產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造；李中才（1981-），男，廣東江門人，大專，主要從事衛(wèi)浴五金產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造；何宇明（1991-），男，廣東江門人，五邑大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生；李辛沫（1969-），女，廣西南寧人，研究生，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。