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1、,O型圈密封结构设计,1,Li Qiang 2011-01-07,.,O型圈密封结构设计,1、O型圈概述 2、O型圈密封原理和要求 3、O型圈材料特性及选择 4、O型圈密封的设计原则 5、O型圈密封沟槽设计 6、O型圈的性能 7、O型圈失效 8、O型圈的变形发展 9、O型圈生产制造 10、问题,.,1.0 O型圈概述,O型圈是一种界面形状为圆形的橡胶圈，是液压气动中应用最广泛的密封件,.,1.1 O型圈特点,特点： 1尺寸小装拆方便 2动静密封均可用 3静密封几乎没有泄漏 4单件使用双向密封 5动摩擦力小 6价格低,.,2.1 O型圈密封原理,O型圈密封是一种挤压型密封。当密封件产生初始形变和
2、应力Pseal，PwPseal时，将不会泄漏。 Pm=P0+Pp，Pp=KP。 Pm=P0+KP K为介质压力传递给O型圈压力的系数（对橡胶，K=1；对无缝钢管？复合密封圈？） 因此，只要O型圈存在初始压力，就可实现无泄漏的绝对密封。 O型圈密封是一种自密封结构。,.,2.2 O型圈密封压缩变形率选择,理论上0压缩也可实现密封，实际是不可能的。 偏心 工作载荷下，O型圈拉伸，变细，就可能泄漏 低温 橡胶收缩，变细，可能泄漏（低温会造成橡胶加速老化，失去补偿能力） 一般断面有7%-30%的压缩变形率，静密封取大的压缩率（15%-30%），动密封取小的压缩率（9-25%）,偏心,.,2.3 O型圈
3、受内压、外压选择,受内压 O型圈外径与沟槽外径相同 受外压 O型圈内径与沟槽内径相同 防止出现在工作压力下出现O型圈直径变小。 将 O 形圈安装在沟槽内时，要受到拉伸或压缩。若拉伸和压缩的数值过大，将导致O形圈截面过度增大或减小，因为拉伸1%相应地使截面直径W 减小约0.5%。对于孔用（内压）密封，O形圈最好处于拉伸状态，最大允许拉伸量为6%；对于轴用（内压）密封，O 形圈最好延其周长方向受压缩，最大允许周长压缩量为3%。,受内压,受外压,.,2.4 O型圈挤出原理,.,2.4 O型圈允许挤出间隙,最大允许挤出间隙gmax 和系统压力，O 形圈截面直径以及材料硬度有关。通常，工作压力越高，最大
4、允许挤出间隙gmax 取值越小。如果间隙g 超过允许范围，就会导致O 形圈挤出甚至损坏,当压力超过5MPa时，建议使用挡圈,.,2.4 O型圈允许挤出间隙,.,2.5 O型圈压缩量选择,液压-气动-静密封,液压-动密封,气动-动密封,和材料有关的O形圈圆周方向的压缩力,.,3.0 O型圈材料特性,.,3.1 O型圈材料特性比较图,.,3.2 O型圈材料特性排序,.,3.3 O型圈材料硬度,.,3.4 O型圈材料特性,.,3.5 O型圈材料耐化学性,.,3.6 O型圈材料耐温性,.,3.7 O型圈材料选择原则,外界因素： 1，工作状态：动密封，静密封；连续工作，间断工作等 2，工作介质：液体、气
5、体还是两相流，及介质的物理化学性能，与介质相容性 3，工作压力：介质工作压力高低，压力波幅，瞬时最大压力 4，工作温度：瞬时温度和冷热交变温度 5，成本来源：成本低，来源广,O型圈的硬度硬度： 一般为70-90邵氏硬度，静密封选低值70，旋转密封取高值80，极少采用90。,.,4.0 O型圈设计原则,通则： O型圈密封是挤压式密封，设计主要内容为O型圈的压缩和拉伸。 O型圈直径压缩和拉伸。 a，压缩量过小：泄漏 b，压缩量过大：应力松弛引起泄漏 c，拉伸量过大：界面直径减少太大而引起泄漏,4.0 压缩率设计： W%=(d0-h)/d0。 a，有足够的密封接触面积 b，避免永久变形 c，摩擦力尽
6、量小 圆柱静密封：10%-15%，平面静密封：15%-30%。 往复运动密封：10%-15%。 旋转动密封：内径比轴大3%-5%，外径压缩率为3%-8%。 低摩擦用密封：一般为5%-8%，考虑介质和温度引起的膨胀， 如超过15%，重新选材。,.,4.1 O型圈设计原则,4.1 拉伸率设计： W%=(d0+d)/(d0+d1)。 O型圈装入轴中后，一般会有拉伸，如果无拉伸，装配时容易脱出，如拉伸过大，会导致O型圈截面积减少太多，出现泄漏。 一般其拉伸量为1%-5%。,.,4.2 O型圈设计原则,4.2 接触宽度设计： 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密封面的接触宽度
7、都和O形圈的密封性能，其值过小会使密封性受到影响。 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形圈与密封面的接触面宽度b（mm）也取决于W和do： b=( 4W2+0.34W+0.31)do ( W取10%40%) 一般情况，考虑到压力脉动和抽真空的需求，Bo应接近于槽宽，对于气体介质的密封，Bo应比槽宽小0.1-0.2mm；对于液体介质的密封， Bo应比槽宽小0.2-0.5mm。 同时Bo不应大于槽宽，否则承压后可能会减小密封接触宽度，同时减小密封接触应力而导致泄漏。 有压力脉动时，槽宽过
8、大会导致O型圈来回偏移，出现磨损；槽宽过小会导致O型圈填满沟槽，导致阻力过大。,.,5.0 O型圈沟槽设计,5.0 O型圈沟槽设计： 槽体积比O型圈体积大15%左右。 设计参数：形状，尺寸，精度，粗糙度，对于动密封，需要计算相对运动间隙。 原则：容易加工，尺寸合理，精度容易保证，拆装方便。 a，有压缩3%-30%的压缩。 b，在介质中膨胀，温升膨胀。 c，太窄磨损，太宽滚动磨损。,.,5.1 O型圈沟槽设计,5.2 O型圈沟槽深度设计： 槽深的设计决定O型圈的设计压缩量，沟槽深度加上间隙小于O型圈自由状态下O型圈的线径。 O型圈的压缩量由内径压缩量和外径压缩量”构成。 ”,O型圈安装时受拉伸；
9、用于滑动密封，如活塞密封。,5.3 O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计： 槽口圆角：防止O型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.10.2 mm 过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤） 槽底圆角：防止出现应力集中， 动：R=0.11.0 mm ，静:R=d0/2 mm ，,.,5.3 O型圈沟槽设计,5.4 O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计： 槽口圆角：防止O型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.10.2 mm 过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤） 槽底圆角：防止出现应力集中， 动：R=0.11.0 mm ，静:R=d0/2 mm ，,5.5 O型圈沟槽表面粗糙度设计： 静密封：Ra=6.33.2， 动密封
10、：Ra=1.6 ， 旋转密封：轴凹槽：Ra=0.4或更小。 A，采用什么样的工艺来加工沟槽比较好。 B，沟槽的粗糙度过大或过小会出现什么问题。,.,5.4 O型圈沟槽设计,5.6 O型圈挡圈设计： 目的：防止O型圈在工作时出现间隙咬伤和挤出实效。 使用：单向受压，一个挡圈；双向受压，两个挡圈。,.,5.5 O型圈沟槽设计,5.7 O型圈沟槽型式和公差：详见 GB/T 34523,.,5.6 O型圈沟槽设计,5.8 O型圈密封常见型式：,轴向密封,径向密封,接头密封,闷塞密封,.,6.0 O型圈性能,抗磨损,.,6.1 O型圈性能,密封性能,.,6.2 O型圈密封要求,稳定性,.,6.3 O型圈
11、性能,抗挤出性,.,6.4 O型圈性能,贴合性,.,7.0 O型圈失效,7.0 O型圈失效： O型圈常见的失效原因有材料问题、压缩变形、间隙咬伤、扭曲现象、磨料磨损、表面粗糙度不当和焦耳效应等。 压缩变形，如右图所示：,.,7.1 O型圈失效,7.1 O型圈失效： O型圈磨损，如右图所示：,.,7.2 O型圈失效,7.2 O型圈失效： O型圈安装损坏，如右图所示：,.,7.3 O型圈失效,7.3 O型圈失效： O型圈爆破失效，如右图所示：,.,7.4 O型圈失效,7.4 O型圈失效： O型圈热损伤和氧化，如右图所示：,.,7.5 O型圈失效,7.5 O型圈失效： O型圈扭曲滚转损坏，如右图所示：,.,7.6 O型圈失效,7.6 O型圈失效： O型圈挤出失效 如右图所示：,.,7.7 O型圈失效,7.7 O型圈失效： O型圈膨胀失效 如右图所示：,.,7.8 O型圈失效,7.8 O型圈失效： O型圈老化/氧化失效 如右图所示：,.,7.9 O型圈失效,7.9 O型圈失效： O型圈非典型失效 如右图所示：,.,8.0 其他型式的密封圈,O型圈的常见的变形型式,.,9.0 非标O型圈制造,1，非标O型圈计算和制造 2，标准大批量O型圈如何生产？飞边如何去除？,.,10 Question？,
