O形橡胶密封圈

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第1612页（4795字）

(1)特点

O形橡胶密封圈(简称O形圈)，其截面呈圆形，如图26．2－1所示。其材料主要为丁腈橡胶或氟橡胶。它是液压工程中使用最广泛的一种密封件。O形圈主要用于静密封和往复运动密封。用于旋转运动密封装置中的O形圈实例，仅限于低速回转密封装置。如液压挖掘机的中央回转接头的分配阀动密封机构。

一般O形圈在旋转运动密封装置中使用较少。

图26．2－1 O形橡胶密封圈

d₁－O形圈内径；d₂－O形圈截面直径

O形密封圈与其它型式密封圈比较，具有以下主要优点：

·结构小巧，装拆方便。

·价格低廉，体积小。

·既可用作动密封件，也可用于静密封。

·动摩擦阻力比较小。

·使用单件O形圈，可对两个方向起密封作用。

(2)密封原理

A．O形圈用于静密封时的密封原理

如图26．2－2所示。

图26．2－2 O形橡胶密封圈的接触应力分布

(a)空载状态；(b)承载状态

O形圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。在无液压力的情况下，弹性压缩变形的O形圈，在其自身具有的弹性力作用下，对接触面产生一个预接触应力p₀，如图26．2－2(a)所示。而当容腔内充入有压力流体后，则在液压力p的作用下，O形圈发生位移，移向低压侧，并进一步加大弹性变形，紧逼和封闭了密封间隙δ。此刻，作用于密封副偶合面的接触应力，上升为p₀+p=p_m。从而大大增强了密封效果，如图26．2－2(b)所示。当容腔内的压力介质卸压后(p=0)，则由于初始装配时O形圈所具有的预接触应力p₀的作用，仍能保证密封装置在卸压后的密封性能。此即所谓O形圈的自封作用。

B．往复运动用O形圈的密封原理

图26．2－3(a)所示为O形圈作用于往复运动滑移面的接触情况。基于油液的粘度及运动速度等因素的作用，沿金属滑移面和密封件间，构成一层粘附力极强的油膜。当轴向外伸出时，油膜与轴一起探出，如图26．2－3(b)所示。而当轴回程时，油膜被残留于密封件的外侧。随着轴的频繁往复运动次数增加，残留于密封件外侧的油膜日益增厚。最后形成油滴从轴面滴下，如图26．2－3(c)所示。形成了O形圈往复运动密封装置的泄漏。

图26．2－3 油膜形成及泄漏情况

C．O形圈“尺寸系列”与“安装沟槽尺寸和设计”及“外观质量检验”标准

O形圈尺寸系列及公差见表26．2－1。O形圈安装沟槽尺寸和公差、缸径和活塞直径的适用范围分别见表26．2－2(α)、表26．2－2(b)和表26．2－2(c)。

表26．2－1 O形圈内径、截面直径尺寸及公差(摘自GB3452．1－92) 单位：mm

表26．2－2(a) O形圈沟槽型式(摘自GB3452．3－88)

表26．2－2(b) O形圈沟槽尺寸与公差(摘自GB3452．3－88) 单位：mm

表26．2－2(c) O形橡胶密封圈的缸内径和活塞直径尺寸适用范围(摘自GB3452．3－88) 单位：mm

O形圈外观质量检验的国家标准见表26．2－3。

表26．2－3 O形橡胶密封圈表面缺陷的最大允许极限(摘自GB3452．2－87) 单位：mm

D．O形圈的拉伸量α及压缩率ε_c的计算

对O形圈尺寸与沟槽尺寸的匹配，世界各国的标准都有较严格的规定。设计时若O形圈压缩量选择过小，或加工沟槽时公差波动向压缩量小的方向靠拢，装配后就会引起O形圈的泄漏。如果压缩量选择过大，或加工沟槽时公差波动向压缩量大的方向靠拢，则会导致因压缩率过大而引起橡胶应力松驰，形成密封装置泄漏。同样，O形圈装配后，若拉伸过度，也会造成因密封件过早老化而引起的密封装置泄漏。

表26．2－4所示为O形圈的拉伸量α和压缩率ε_c的选用范围。

表26．2－4 O形橡胶密封圈的拉伸量和压缩率的选取范围

表26．2－4中所列数值，亦可通过计算式26．2－1和26．2－2计算得出。式中的符号含义，见图26．2－4所示。

图26．2－4 不同使用条件下的O形圈密封图设计示意图

(a)静密封；(b)活塞往复动密封；(c)活塞杆往复动密封；(d)旋转轴动密封

式中 d₂——O形圈截面直径；

D——O形圈内径；D₁、D₂、D₃，如图26．2－4所示；

h——密封件安装腔体的高度；

d_c——拉伸后O形圈的实际截面直径

k_c——经验常数。低丙烯腈含量(丁腈－18)k_c取1．25；中丙烯腈含量(丁腈－26)k_c取1．35；高丙烯腈含量(丁腈－40)k_c取1．45等。

由表26．2－4可知，动密封的压缩率小于静密封。静密封用O形圈的压缩率极值，不应大于25%(最高35%)。否则压缩应力明显松驰，将产生过大的永久变形。在高温工况中，尤为明显。然而压缩率也不宜过小，否则若装配部位有偏心，就会消失部分的压缩量，也会导致泄漏。

O形圈安装沟槽深度的设计，取决于O形圈所需的压缩率。沟槽的宽度，应由使用条件而定。通常，矩形沟槽的宽度，取O形圈截面直径的1．3～1．5倍。O形圈用于静密封时，压缩量较大，沟槽宽度应取大值。O形圈用于往复运动密封装置时，沟槽的宽度应取小值。若用于旋转运动的密封装置时，沟槽宽度应取O形圈截面直径的1．05～1．1倍。另外，应注意的是O形圈在旋转动密封的工况下，内径因摩擦生热而引起的“焦耳效应”会导致O形圈的内径收缩，这些都是影响O形圈密封质量的因素。

O形圈安装沟槽的宽度B及O形圈安装后与沟槽底面的接触宽度b，也可由计算式(26．2－5)、(26．2－6)计算得出。但此两式只适用于ε_c=10%～40%的范围内。

图26．2－5是O形圈承受压力在往复运动状态下的应力分布和油膜厚度。

图26．2－5 往复运动O形圈应力分布和油膜厚度

E．挡圈

挡圈的作用 挡圈和O形圈同时使用，其作用是为了防止在承受压力载荷后，O形圈因产生弹性变形而嵌入密封副偶合件间的缝隙。

对于动密封装置，通常当工作压力超过7MPa时，若O形圈承受单侧的介质压力，则应于低压腔一侧加一挡圈。若O形圈双向交替受介质压力，则应于O形圈的两侧，各加一个挡圈使用。加挡圈后的沟槽设计，可参考表26．2－2。

·O形圈用于静密封装置中，当介质压力大于32MPa时，应考虑在低压腔一侧，紧贴O形圈加一挡圈。

·在经常承受脉冲压力的密封装置中，也应采用挡圈，以防止O形圈的异常损耗。

使用挡圈，虽然可以防止O形圈的“挤出”，但会因此增加密封装置的运动摩擦阻力。表26．2－5所示，为O形圈密封装置不使用挡圈时，密封副偶件间的最大间隙允许值。

表26．2－5 不使用挡圈的最大间隙允许值

挡圈的类型 挡圈的类型，如表26．2－6所示。

表26．2－6 挡圈的类型

挡圈的材料 挡圈使用的材料，通常为聚四氟乙烯树脂，或尼龙1010和尼龙6等。若挡圈使用在超高压条件下，则除了要求严格控制间隙尺寸外，挡圈材料应考虑采用巴氏合金之类的软金属材料。

F．安装(图26．2－6)

图26．2－6 O形圈的装配

(a)O形圈通过外螺纹的装配工具；(b)O形圈通过内孔时，孔壁应倒角α；(c)正压静密封沟槽；(d)有负压的静密封沟槽

O形圈的安装质量，关系到密封装置的密封性能优劣和密封件的使用寿命。在安装过程中，不允许O形圈被划伤和位置安装不正，以及O形圈被扭曲等情况发生。同时，装配前各装配偶件必须严格清洗。对于O形圈在装配过程中要通过的偶合面，必须涂敷润滑脂。对径向孔或螺纹的部位，应用护套隔开或采取其它防护措施，使O形圈在装配时不被划伤。

对于有负压或一侧真空的工况，也应采用如图26．2－6(d)所示的防止O形圈被吸入孔口的防护沟槽。