柳書(shū)權(quán)

廈門(mén)精合電氣自動(dòng)化有限公司，福建廈門(mén)，361027

0 引言

O形橡膠密封圈在應(yīng)用過(guò)程中，在不同介質(zhì)條件和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，所產(chǎn)生的密封作用存在一定差異，不同材質(zhì)的O形橡膠密封圈在油、酸以及堿等化學(xué)侵蝕環(huán)境下依然能夠保持良好的密封和減震作用。在氣動(dòng)系統(tǒng)中，O形橡膠密封圈的合理應(yīng)用能夠直接影響系統(tǒng)整體可靠性，所以必須做好O形橡膠密封圈應(yīng)用設(shè)計(jì)工作，充分考慮到其應(yīng)用穩(wěn)定性與使用壽命，結(jié)合O形橡膠密封圈的基本原理，解決實(shí)際應(yīng)用中存在的具體問(wèn)題。

1 常用密封構(gòu)造

O形橡膠密封圈的密封構(gòu)造具有多種不同類(lèi)型，按照O形橡膠密封圈的橫截面變化規(guī)律，可以采用不同的構(gòu)造模式，主要包括徑向密封與軸向密封，徑向密封具有不同類(lèi)型，比如外部密封以及活塞密封等，在一些特殊的條件下還可以采用梯形溝槽密封或三角形溝槽密封等多種不同方式[1]。

2 密封原理

O形橡膠密封圈發(fā)揮密封作用，需要將其安裝在一個(gè)合適的空間環(huán)境中，確保其橫向彈性變形作用能夠發(fā)揮，以此方式構(gòu)成的表面壓縮為需要獲取的密封效果關(guān)鍵所在。其變形程度會(huì)受到溝槽的直接影響，溝槽深度為主要影響因素，通常變形程度利用壓縮率的方式表現(xiàn)，壓縮率采用百分比表現(xiàn)形式；在完成安裝之后，密封圈受到的壓力會(huì)降低。

3 密封圈材料

材料是影響O形橡膠密封圈作用發(fā)揮的關(guān)鍵因素，當(dāng)前主要采用橡膠基本材料，橡膠材料具有良好的性能，能夠有效滿足O形密封圈的密封性、變形性等多項(xiàng)性能要求。但在確定密封圈的主要材質(zhì)時(shí)，必須重視影響密封性能的主要因素，比如溫度與機(jī)械性能因素等。①在選擇O形橡膠密封圈材料時(shí)，不能只考慮到工作環(huán)境溫度，同時(shí)需要考慮到密封的介質(zhì)溫度因素，在100℃空氣與100℃油液中，雖然工作環(huán)境溫度相同，但是對(duì)于O形橡膠密封圈材料的抗熱強(qiáng)度要求具有很大差異。②在選擇O形橡膠密封圈材料時(shí)，需要充分考慮到材質(zhì)的性能，比如抗腐蝕能力以及化學(xué)性能等，確保材質(zhì)性能可以滿足應(yīng)用環(huán)境的需求，避免出現(xiàn)腐蝕以及破壞性問(wèn)題。③在選擇材質(zhì)時(shí)，需要全面考慮到其機(jī)械性能，結(jié)合O形橡膠密封圈的使用工況條件確定。例如，裝配位置為密封空間或暴露空間，需要選擇的機(jī)械性能不同；工作模式為靜態(tài)或非靜態(tài)，需要選擇的密封圈材質(zhì)不同；預(yù)期荷載壓力不同的情況下，對(duì)于材料要求也具有很大差異；運(yùn)動(dòng)密封的運(yùn)動(dòng)規(guī)律性重復(fù)、持續(xù)變化等，都需要選擇不同的材質(zhì)[2]。

4 硬度指標(biāo)選擇

在評(píng)價(jià)密封圈的材料硬度時(shí)，一般按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邵氏硬度進(jìn)行評(píng)價(jià)；該硬度評(píng)價(jià)為對(duì)材質(zhì)對(duì)比分析后的結(jié)果，能夠較為真實(shí)地反映出材質(zhì)的硬度情況；該評(píng)價(jià)方式需要結(jié)合特殊的評(píng)價(jià)方法，在評(píng)價(jià)金屬材料時(shí)一般采用棱錐體作為穿透體的方式；在對(duì)橡膠材料硬度評(píng)價(jià)時(shí)，一般采用球體作為穿透體。在硬度評(píng)價(jià)中，如果材料厚度在3mm以下，不能采用其他評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，只允許采用邵氏硬度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；線厚度低于1.5mm時(shí)，測(cè)量O形橡膠密封圈的硬度不具有實(shí)際意義。硬度不用于評(píng)價(jià)O形橡膠密封圈產(chǎn)品質(zhì)量，而是用于評(píng)價(jià)O形橡膠密封圈產(chǎn)品功能，所以在選擇時(shí)需要考慮到實(shí)際承受壓力；通常情況下，彈性體越軟，則在壓力作用下越容易發(fā)生變形問(wèn)題，受到擠壓力會(huì)進(jìn)入到密封縫隙中；同時(shí)，彈性體越軟則越不適合低壓與不平整表面的密封[3]。

5 密封槽設(shè)計(jì)

為了使密封圈的密封作用能夠更好地發(fā)揮出來(lái)，必須將密封圈安裝在對(duì)應(yīng)的密封槽中，通常情況下密封槽的界面為矩形形式，如圖1所示。

在圖1中，t表示密封槽深度；b表示密封槽寬度；h表示安裝空間的高度；g表示密封間隙；p表示介質(zhì)壓力；A表示接觸面的具體面積；B表示密封槽壁白面與溝槽底部；C表示安裝較表面；r1表示密封槽底部位置的圓角半徑；r2表示密封槽上方邊緣位置的倒角半徑；z表示密封槽安裝角度長(zhǎng)度。

從上圖中可以明確，O形橡膠密封圈的線徑與密封槽深度具有密切關(guān)系，該關(guān)系的表現(xiàn)形式為初始?jí)嚎s量，槽深度能夠影響密封圈所承載的實(shí)際壓力。在靜態(tài)條件下，一般初始?jí)嚎s率在20%~30%左右；動(dòng)態(tài)模式中初始?jí)嚎s率一般為5%~20%；在設(shè)計(jì)密封槽寬度時(shí)，需要防止將密封槽填充過(guò)滿問(wèn)題發(fā)生，保留O形橡膠密封圈體積膨脹的一定空間；按照設(shè)計(jì)要求以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，通常情況下O形橡膠密封圈需要能夠填充密封槽85%左右，這種設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)镺形橡膠密封圈體積膨脹保留了一定的空間[4]。

在選擇O形橡膠密封圈的軸向安裝與靜態(tài)安裝方法時(shí)，首先需要確定壓力方向，在內(nèi)部壓力發(fā)生作用的情況下，O形橡膠密封圈在選擇時(shí)需要比密封槽外徑高出2%左右，這種設(shè)計(jì)方式使得O形橡膠密封圈在安裝后處于被稍微壓縮狀態(tài)，進(jìn)而使得其外徑和密封槽空間保持一致；在外部壓力發(fā)生作用的情況下，O形橡膠密封圈的內(nèi)徑需要低于密封槽內(nèi)徑2%~3%，這種安裝方式能夠使O形橡膠密封圈安裝完成后拉緊，使其與密封槽空間保持相同。在密封槽設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵尺寸以及公差具有如下幾項(xiàng)要求：代碼d1表示公差H11，為外軸直徑；代碼d2表示公差h11，為內(nèi)軸直徑；代碼d3表示公差±0.25mm，為O形圈設(shè)計(jì)空間寬度（密封槽寬度）；代碼h表示公差±0.1mm，為O形圈設(shè)計(jì)空間徑向深度（密封槽深度）；代碼r1表示公差±（0.1~0.2）mm，為O形圈設(shè)計(jì)底部半徑（密封槽底部半徑）；代碼r2表示公差±0.1mm，為O形圈設(shè)計(jì)頂部邊緣半徑（密封槽頂部邊緣半徑）。

徑向、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)外部密封O形橡膠密封圈時(shí)，內(nèi)徑需要低于密封槽底部直徑約2%左右，也就是O形橡膠密封圈在安裝進(jìn)入密封圈時(shí)能夠稍微拉緊，最好采用徑向設(shè)計(jì)方案。

采用梯形作為密封槽的主要形式，能夠提升維護(hù)工作便利性，為維修工作提供有利條件，保證密封橡膠圈能夠正常使用。該密封槽形式，能夠在液體與氣體的介質(zhì)中形成負(fù)壓，從而能夠?qū)⑵湮矫芊獠鄣耐獠课恢?，?shí)現(xiàn)降低壓力的目標(biāo)，但是這種密封槽的整體設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，為了能夠提升密封槽質(zhì)量，一般在線徑超過(guò)2.5mm時(shí)采用；在選擇半徑過(guò)程中，需要充分考慮到對(duì) O形橡膠密封圈的保護(hù)，防止O形橡膠密封圈受到破壞，并確保O形橡膠密封圈在高壓狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)從縫隙中擠出的問(wèn)題[5]。

三角形密封槽通常用于端面與頂蓋的區(qū)域密封中，O形橡膠密封圈在安裝空間中有3個(gè)接觸面，從而難以確保穩(wěn)定的接觸壓力，在加工制作過(guò)程中，如果無(wú)法達(dá)到公差規(guī)定要求，則無(wú)法有效發(fā)揮出密封效果，這種密封方式為O形橡膠密封圈預(yù)留的膨脹空間不足；在采用三角形密封溝槽設(shè)計(jì)方案時(shí)，不僅需要嚴(yán)格控制公差基本要求，同時(shí)需要保證O形橡膠密封圈線徑超過(guò)3mm以上；O形橡膠密封圈對(duì)于鋒利的表面較為敏感，所以為了防止O形橡膠密封圈在密封中受到損傷，在密封槽設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到鉆孔與軸的具體安裝角度以及粗糙度等問(wèn)題。在不同的線徑條件下，活塞與活塞桿密封的最短設(shè)計(jì)角度見(jiàn)表1。

表1 活塞與活塞桿密封的最短設(shè)計(jì)角度

表面粗糙度要求取決于O形橡膠密封圈的使用位置，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常情況下安裝空間的表面粗糙度設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 密封槽空間各表面粗糙度建議

在密封行業(yè)中，一般采用Ra與Rz表示表面粗糙度，然而由于數(shù)據(jù)量較少，會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)全面性產(chǎn)生影響，為此必須分析材料自身的粗糙度Rmr，Rmr是在截面深度C=0.25×Rz，以一條參考線CO=5%為基礎(chǔ)測(cè)試得到的數(shù)值，數(shù)值的50%~70%計(jì)入?yún)⒖贾捣秶鷥?nèi)。

6 密封失效原因

通常情況下，無(wú)論環(huán)境壓力數(shù)值大小，不同的材料都會(huì)釋放一定的氣體，在較小環(huán)境壓力狀態(tài)下，釋放率就越高，在真空環(huán)境下釋放率達(dá)到最高，為此在材料氣體釋放率不斷降低的條件下，就能夠在真空條件下發(fā)揮出更好的效果。

6.1 爆炸性減壓失效

在當(dāng)前的石油化工以及壓縮機(jī)制造業(yè)等行業(yè)中，都面臨著O形橡膠密封圈失效的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為爆炸性減壓，且一般的密封零部件無(wú)法承受由于爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)烈荷載，爆炸產(chǎn)生的瞬間較大壓力會(huì)引起氣體進(jìn)入密封圈中的問(wèn)題發(fā)生；在壓力降低后，氣體會(huì)從O形橡膠密封圈中得以釋放，從而導(dǎo)致過(guò)大減壓?jiǎn)栴}發(fā)生，氣體會(huì)在瞬間被全部釋放出來(lái)，O形橡膠密封圈的材料就會(huì)出現(xiàn)一定程度的裂紋或表現(xiàn)出氣泡問(wèn)題，O形橡膠密封圈受到嚴(yán)重的破損進(jìn)而導(dǎo)致失效問(wèn)題發(fā)生。一般的O形橡膠密封圈在這種情況下會(huì)出現(xiàn)失效問(wèn)題，從而導(dǎo)致密封效果下降，不足以抵抗這種力量，所以需要采用一些經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)且具有良好物理性能的彈性體，才能夠解決O形橡膠密封圈失效問(wèn)題，如具有良好抗撕能力以及高模數(shù)的彈性體材料，才能夠避免O形橡膠密封圈失效問(wèn)題發(fā)生。

6.2 扭曲失效

扭曲失效也是一項(xiàng)常見(jiàn)的失效性問(wèn)題，主要發(fā)生在動(dòng)密封條件下，當(dāng)出現(xiàn)該失效問(wèn)題時(shí)，密封圈會(huì)順著周向發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，引起該失效問(wèn)題產(chǎn)生的因素具有多種不同類(lèi)型，比如由于活塞桿和缸筒之間的間隙過(guò)大，或者密封圈直徑均勻性不符合規(guī)定等，都會(huì)導(dǎo)致密封圈出現(xiàn)扭曲失效的問(wèn)題，因?yàn)閷?dǎo)致O形橡膠密封圈在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合下受到的摩擦力不均勻，從而容易導(dǎo)致O形橡膠密封圈出現(xiàn)失效問(wèn)題，一般情況下O形橡膠密封圈斷面尺寸越小，則越容易產(chǎn)生摩擦不均勻的問(wèn)題。此外，因?yàn)槊芊鉁喜鄞嬖谕S度偏差問(wèn)題，密封高度不同以及O形橡膠密封圈斷面不均勻等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致O形橡膠密封圈的部分壓縮過(guò)大，其他部分受到的壓縮較小，會(huì)導(dǎo)致密封出現(xiàn)完全失效的問(wèn)題。

6.3 磨粒磨損失效

在O形橡膠密封圈的間隙內(nèi)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封圈所處條件中如果存在灰塵等物質(zhì)，就會(huì)粘附在密封圈內(nèi)部構(gòu)件中，密封圈經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，粘附的物質(zhì)就會(huì)增加其磨損程度，從而使其失去密封性，是引起磨粒磨損失效的主要因素。

7 密封失效解決對(duì)策

引起O形橡膠密封圈失效的因素較多，其中發(fā)生頻率最高的一項(xiàng)因素為磨粒磨損引起的失效，為此本文以磨粒磨損現(xiàn)象引起的O形橡膠密封圈失效問(wèn)題作為研究對(duì)象，提出如下O形橡膠密封圈密封失效解決策略。

O形橡膠密封圈在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受到的摩擦阻力相比于純密封較小，但是O形橡膠密封圈受到的摩擦阻力較大，一般是運(yùn)動(dòng)摩擦阻力的3倍以上；O形橡膠密封圈的相對(duì)滑動(dòng)表面粗糙度越大，或接觸的時(shí)間不斷延長(zhǎng)，那么表面的摩擦就會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致密封圈出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損失效問(wèn)題。為了減少啟動(dòng)摩擦力，防止O形橡膠密封圈失效問(wèn)題發(fā)生，可以采用硬度較低的材料制作O形橡膠密封圈，同時(shí)配合專(zhuān)用潤(rùn)滑劑降低摩擦，還可以采用降低壓縮模量等方法，最低壓縮模率可以降低到5%左右。常規(guī)O形橡膠密封圈的相對(duì)滑動(dòng)表面的相對(duì)表面粗糙度在0.2~0.4μm時(shí)效果最好，表面硬度在50HRC以上時(shí)最好。

通常情況下，不能將O形橡膠密封圈應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)密封中，但是一些特殊情況下必須將O形橡膠密封圈應(yīng)用于密封旋轉(zhuǎn)中，在應(yīng)用過(guò)程中，只能使用在低速回轉(zhuǎn)密封中；旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)密封對(duì)于O形橡膠密封圈的作用方式不同，需要考慮到焦耳效應(yīng)，也就是處在拉伸狀態(tài)的橡膠預(yù)熱發(fā)生收縮變化。將O形橡膠密封圈應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)密封時(shí)，接觸區(qū)域產(chǎn)生的摩擦熱量溫度會(huì)不斷提升，O形橡膠密封圈材料在高溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)生形態(tài)變化，也就是O形橡膠密封圈經(jīng)過(guò)了摩擦生熱、收縮、箍筋力提升以及摩擦增大的過(guò)程，在這個(gè)反復(fù)循環(huán)過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致O形橡膠密封圈出現(xiàn)老化與磨損問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致O形橡膠密封圈失效。因此，通常將O形橡膠密封圈的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為與轉(zhuǎn)軸直徑相同或更大的形式，一般高出3%~5%左右；在安裝過(guò)程中，可以采用能夠使O形橡膠密封圈從外向內(nèi)壓縮的方式，使得斷面的壓縮量更低，一般在3%~8%左右，在這種情況下，即使溫度升高，O形橡膠密封圈發(fā)生膨脹，也能夠與軸抱緊，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)密封效果。這種方式與滑動(dòng)密封不同，但是依然采用滑動(dòng)密封標(biāo)準(zhǔn)，所以難以獲得良好的密封效果，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要加以特別注意，采用相應(yīng)的優(yōu)化措施，就能夠解決O形橡膠密封圈失效問(wèn)題，使得O形橡膠密封圈的密封作用得以發(fā)揮。

在解決O形橡膠密封圈失效問(wèn)題時(shí)，需要通過(guò)檢查確定引起失效問(wèn)題的主要原因，結(jié)合失效原因采用相應(yīng)的解決策略，確保O形橡膠密封圈的密封性能得以恢復(fù)。針對(duì)不同失效原因，所采用的解決策略與方法不同，需要采用針對(duì)性的方法才能夠提高密封效果，并不斷對(duì)解決方式進(jìn)行創(chuàng)新，確保O形橡膠密封圈能夠正常發(fā)揮出作用。

8 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述了O形橡膠密封圈的主要密封構(gòu)造與密封原理，并介紹了O形橡膠密封圈材料選擇的基本方法與硬度指標(biāo)選擇方法，同時(shí)提出了密封槽的具體設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化措施，最后結(jié)合O形橡膠密封圈失效的主要原因提出多項(xiàng)有效的解決措施，希望能夠?qū)鈩?dòng)系統(tǒng)中O形橡膠密封圈設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用，不斷提升O形橡膠密封圈質(zhì)量，并促進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。