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O形密封圈的密封原理

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O形密封圈簡稱O形圈,是一種截面為圓形的橡膠圈。O形密封圈是液壓、氣動系統中使用最廣泛的一種密封件。

O形圈有良好的密封性,既可用于靜密封,也可用于往復運動密封中;不僅可單獨使用,而且是許多組合式密封裝置中的基本組成部分。它的適用范圍很寬,如果材料選擇得當,可以滿足各種運動條件的要求,工作壓力可從1.333×10^5Pa的真空到400MPa高壓;溫度范圍可從-60℃到200℃。

與其它密封型式相比,O形密封圈具有以下特點:

1)結構尺寸小,裝拆方便。

2)靜、動密封均可使用,用作靜密封時幾乎沒有泄漏。

3)使用單件O形密封圈,有雙向密封作用。

4)動摩擦阻力較小。

5)價格低廉。

O形密封圈是一種擠壓型密封,擠壓型密封的基本工作原理是依靠密封件發生彈性變形,在密封接觸面上造成接觸壓力,接觸壓力大于被密封介質的內壓,則不發生泄漏,反之則發生泄漏。在用于靜密封和動密封時,密封接觸面接觸壓力產生原因和計算方法不盡相同,需分別說明。
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1、用于靜密封時的密封原理

在靜密封中以O形圈應用最為廣泛。如果設計、使用正確,O形密封圈在靜密封中可以實現無泄漏的絕對密封。

O形密封圈裝入密封槽后,其截面承受接觸壓縮應力而產生彈性變形。

對接觸面產生一定的初始接觸壓力Po。即使沒有介質壓力或者壓力很小,O形密封圈靠自身的彈性力作用而也能實現密封;當容腔內充入有壓力的介質后,在介質壓力的作用下,O形密封圈發生位移,移向低壓側,同時其彈性變形進一步加大,填充和封閉間隙δ。此時,坐用于密封副偶合面的接觸壓力上升為Pm:

Pm=Po+Pp

式中Pp——經O形圈傳給接觸面的接觸壓力(0.1MPa)

Pp=K*P

K——壓力傳遞系數,對于橡膠制O形密封圈K=1;

P——被密封液體的壓力(0.1MPa)。

從而大大增加了密封效果。由于一般K≥1,所以Pm>P。由此可見,只要O形密封圈存在初始壓力,就能實現無泄漏的絕對密封。這種靠介質本身壓力來改變O形密封圈接觸狀態,使之實現密封的性質,稱為自封作用。

理論上,壓縮變形即使為零,在油壓力下也能密封,但實際上O形密封圈安裝時可能會有偏心。所以,O形圈裝入密封溝槽后,其斷面一般受到7%—30%的壓縮變形。靜密封取較大的壓縮率值,動密封取較小的壓縮率值。這是因為合成橡膠在低溫下要壓縮,所以靜密封O形圈的預壓縮量應考慮補償它的低溫收縮量。

2、用于往復運動密封時的密封原理

在液壓轉動、氣動元件與系統中,往復動密封是一種最常見的密封要求。動力缸活塞與缸體、活塞干預缸蓋以及各類滑閥上都用到往復運動密封。縫隙由圓柱桿與圓柱孔形成,桿在圓柱孔內軸向運動。密封作用限制流體的軸向泄漏。

用作往復運動密封時,O形圈的預密封效果和自密封作用與靜密封一樣,并且由于O形圈自身的彈力,而具有磨損后自動補償的能力。但由于液體介質密封時,由于桿運動速度、液體的壓力、粘度的作用,情況比靜密封復雜。

當液體在壓力作用下,液體分子與金屬表面互相作用,油液中所含的―極性分子在金屬表面上緊密而整齊的排列,沿滑移面與密封件間形成一個強固的邊界層油膜,并且對滑移面產生極大的附著力。該液體薄膜始終存在于密封件與往復運動面之間,它亦起一定的密封作用,并且對運動密封面的潤滑是非常重要的。

但是對泄漏來講是有害的。但往復運動的軸向外拖出時,軸上的液體薄膜便與軸一起拉出,由于密封件的―擦拭作用,當往復運動的軸縮回時,該液體薄膜便被密封元件阻留在外面。隨著往復運動行程次數增多,阻留在外面的液體就越多,最后形成油滴,這就是往復運動式密封裝置的泄漏。由于液壓油的粘度隨著溫度的升高而降低,油膜厚度相應減小,所以液壓設備在低溫下啟動時,運動開始時的泄漏較大,隨著運動過程中因各種損失引起溫度升高,泄漏量有逐漸降低的趨勢。O形圈作為往復式密封,結構緊湊、尺寸小,可以降低元件價格。主要用在:

1)低壓液壓元件中,一般限于短行程和10MPa左右的中等壓力。

2)小直徑、短行程以及中等壓力的液壓滑閥中。

3)氣動滑閥和氣動缸中。

4)作為組合式往復動密封裝置中的彈性體。

O形圈作為往復動密封最適合小直徑、短行程、中低壓力的應用場合,氣動缸、氣動滑閥等往復運動元件中。在液壓元件中,用O形圈作主要動密封,一般限于短行程和10MPa左右的中低壓力。

O形圈不適合用作速度非常低的往復動密封和單獨作為高壓往復動密封。這主要是因為在這種條件下摩擦較大,會導致密封過早失效。在任何型式應用中,都要根據密封件的額定數據或能力來使用,并且要裝配得當,才能得到滿意的性能。

3、旋轉運動用密封

在旋轉運動密封中,通常采用油

封和機械密封。但是油封的使用壓力較低,而且與O形圈相比,顯得過大和復雜,工藝性也差。機械密封雖然可用于高壓(40MPa)、高速(50m/s)及高溫(400℃),但是結構更加復雜、龐大,而且成本高,只適用于石油、化工等作用的一些重型機械設備上。

O形圈用于旋轉運動存在的主要問題是焦耳熱效應。焦耳熱效應使高速的旋轉軸與O形圈的接觸處產生磨擦熱,生成的熱量使這些接觸部位的溫度不斷上升,橡膠材料受熱嚴重變形,壓縮量與伸長量發生變化的現象。發熱還加速密封材料老化,降低了O形圈的使用壽命;破壞密封油膜,由此引起斷油現象,加速密封的磨損。

基于上述情況,近年來國內外旋轉運動用O形圈進行了廣泛深入的研究。為了避免出現焦耳熱效應,關鍵在于根據橡膠的性能來正確地選擇設計O形圈的結構參數,主要是O形圈的拉伸量和壓縮率。根據實驗,將旋轉運動用O形圈設計成內徑與旋轉軸直徑相等或稍大些,一般大3%~5%,在安裝O形圈時,從內徑向里壓縮,并將斷面的壓縮量也設計得小一些,一般約為5%。并且,盡量采用受熱量影響小的密封材料,充分考慮O形圈安裝處的散熱問題。這樣就使O形圈的工作情況大為改善,可應用于最高轉速達4m/s的旋轉軸的密封。

近年來又出現了耐熱氟橡膠和耐磨聚氨酯橡膠,并且對橡膠元件工作的焦耳熱效應有了更深入的了解,并針對此問題研究解決方案,設計出了新的O形圈密封結構,使O形圈能夠更好的應用與高速、高壓的旋轉運動。

O形密封圈由于其具有體積小,結構簡單、成本低、工藝性能好、適用范圍廣泛等特點,正廣泛地在旋轉運動式密封裝置中推廣。


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