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O型密封圈的主要失效原因及其防治措施

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O型圈設計、使用不當會加速它的損壞,喪失密封性能。實驗表明,如密封裝置各部分設計合理,單純地提高壓力,并不會造成O型圈的破壞。在高壓、高溫的工作條件下,O型圈破壞的主要原因是O型圈材料的永久變形和O型圈被擠入密封間隙而引起的間隙咬傷一級O型圈在運動時出現扭曲現象。

1、永久變形

由于O型圈密封圈用的合成橡膠材料是屬于粘彈性材料,所以初期設定的壓緊量和回彈堵塞能力經長時間的使用,會產生永久變形而逐漸喪失,最終發生泄漏。永久變形和彈力消失是O型圈失去密封性能的主要原因,以下是造成永久變形的主要原因。
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1).壓縮率和拉伸量與永久變形的關系

制作O型圈所用的各種配方的橡膠,在壓縮狀態下都會產生壓縮應力松弛現象,此時,壓縮應力隨著時間的增長而減小。使用時間越長、壓縮率和拉伸量越大,則由橡膠應力松弛而產生的應力下降就越大,以致O型圈彈性不足,失去密封能力。因此,在允許的使用條件下,設法降低壓縮率是可取的。增加O型圈的截面尺寸是降低壓縮率最簡單的方法,不過這會帶來結構尺寸的增加。

應該注意,人們在計算壓縮率時,往往忽略了O型圈在裝配時受拉伸而引起的截面高度的減小。O型圈截面面積的變化是與其周長的變化成反比的。同時,由于拉力的作用,O型圈的截面形狀也會發生變化,就表現為其高度的減小。此外,在表面張力作用下,O型圈的外表面變得更平了,即截面高度略有減小。這也是O型密封圈壓縮應力松弛的一種表現。

O型圈截面變形的程度,還取決于O型圈材質的硬度。在拉伸量相同的情況下,硬度大的O型圈,其截面高度也減小較多,從這一點看,應該按照使用條件盡量選用低硬度的材質。在液體壓力和張力的作用下,橡膠材料的O型密封圈也會逐漸發生塑性變形,其截面高度會相應減小,以致最后失去密封能力。

2).溫度與O型圈馳張過程的關系

使用溫度是影響O型圈永久變形的另一個重要因素。高溫會加速橡膠材料的老化。工作溫度越高,O型圈的壓縮永久變形就越大。當永久變形大于40%時,O型圈就失去了密封能力而發生泄漏。因壓縮變形而在O型圈的橡膠材料中形成的初始應力值,將隨著O型圈的馳張過程和溫度下降的作用而逐漸降低以致消失。

溫度在零下工作的O型圈,其初始壓縮可能由于溫度的急劇降低而減小或完全消失。在-50~-60℃情況下,不耐低溫的橡膠材料會完全喪失初始應力;即使耐低溫的橡膠材料,此時的初始應力也不會大于20℃時初始應力的25%。這是因為O型圈的初始壓縮量取決于線脹系數。所以,選取初始壓縮量時,就必須保證在由于馳張過程和溫度下降而造成應力下降后仍有足夠的密封能力。溫度在零下工作的O型圈,應特別注意橡膠材料的恢復指數和變形指數。

綜上所述,在設計上應盡量保證O型圈具有適宜的工作溫度,或選用耐高、低溫的O型圈材料,以延長使用壽命。

3).介質工作壓力與永久變形

工作介質的壓力是引起O型圈永久變形的主要因素。現代液壓設備的工作壓力正日益提高。長時間的高壓作用會使O型圈發生永久變形。因此,設計時應根據工作壓力選用適當的耐壓橡膠材料。工作壓力越高,所用材料的硬度和耐高壓性能也應越高。

為了改善O型圈材料的耐壓性能,增加材料的彈性(特別是增加材料在低溫下的彈性)、降低材料的壓縮永久變形,一般需要改進材料的配方,加入增塑劑。但是,具有增塑劑的O密封形圈,長時間在工作介質中浸泡,增塑劑會逐漸被工作介質吸收,導致O型密封圈體積收縮,甚至可能使O型密封圈產生負壓縮(即在O型密封圈和被密封件的表面之間出現間隙)。因此,在計算O型密封圈壓縮量和進行模具設計時,應充分考慮到這些收縮量。應使壓制出的O型密封圈在工作介質中浸泡5~10晝夜后仍能保持必要的尺寸。

O型圈材料的壓縮永久變形率與溫度有關。當變形率在40%或更大時,即會出現泄漏,所以幾種膠料的耐熱性界限為:丁腈橡膠70℃,三元乙丙橡膠100℃,氟橡膠140℃。因此各國對O型圈的永久變形作了規定。中國標準橡膠材料的O型圈在不同溫度下的尺寸變化見表。同一材料的O型圈,在同一溫度下,截面直徑大的O型圈壓縮永久變形率較低。

在油中的情況就不同了。由于此時O型圈不與氧氣接觸,所以上述不良反應大為減少。加之又通常會引起膠料有一定的膨脹,所以因溫度引起的壓縮永久變形率將被抵消。因此,在油中的耐熱性大為提高。以丁腈橡膠為例,它的工作溫度可達120℃或更高。

2、間隙咬傷

被密封的零件存在著幾何精度(包括圓度、橢圓度、圓柱度、同軸度等)不良、零件之間不同心以及高壓下內徑脹大等現象,都會引起密封間隙的擴大和間隙擠出現象的加劇。O型圈的硬度對間隙擠出現象也有明顯的影響。液體或氣體的壓力越高,O型圈材料硬度越小,則O型圈的間隙擠出現象越嚴重。

防止間隙咬傷的措施是,對O型密封圈的硬度和密封間隙加以嚴格的控制。選用硬度合適的密封材料控制間隙。常用的O型圈的硬度范圍是HS60~90。低硬度者用于低壓,高硬度者用于高壓。配用適當的密封圈保護擋圈,是防止O型圈被擠入間隙的有效方法。

3、扭曲現象

扭曲是指O型圈沿周向發生扭轉的現象,扭曲現象一般發生在動密封狀態。

O型圈如果裝配的妥善,并且使用條件適當,一般不大容易在往復在往復運動狀態下產生滾動或扭曲,因為O型圈與溝槽的接觸面積大于在滑動表面上的摩擦接觸面積,而且O型圈本身的抗拒能力原來就能阻止扭曲。摩擦力的分布也趨向保持O型圈在其溝槽中靜止不動,因為靜摩擦大于滑動摩擦,而且溝槽表面的粗糙度一般不如滑動表面的粗糙度。

引起扭曲損傷的原因很多,其中最主要的是由于活塞、活塞桿和缸筒的間隙不均勻、偏心過大、O型圈斷面直徑不均勻等造成,由于造成O型圈在一周多受的摩擦力不均勻,O型圈的某些部分摩擦過大,發生扭曲。通常,斷面尺寸較小的O型圈,容易產生摩擦不均勻造成扭曲(運動用O型圈比固定用O型圈的斷面直徑大就是這個道理)。

另外,由于密封溝槽存在著同軸度偏差,密封高度不相等以及O型圈截面直徑不均勻等現象,可能使得O型圈的一部分壓縮過大,另一部分過小或不受壓縮。當溝槽存在偏心即同軸偏差大于O型圈的壓縮量時,密封會完全失效。密封溝槽同軸度偏差大的另一個害處是使O型密封圈沿圓周壓縮不均。

此外還有由于O型圈截面直徑、材質硬度、潤滑油膜厚度等的不均以及密封軸表面粗糙度等因素的影響,導致O型圈的一部分沿工作表面滑動,另一部分則發生滾動,從而造成O型圈的扭曲。運動用O型圈很容易因扭曲而損壞,這是密封裝置發生損壞和泄漏的重要原因。因此提高密封溝槽的加工精密度以及減小偏心是保證O型圈具有可靠的密封性和壽命的重要因素。

安裝密封圈不應是它處于扭曲狀態。假如在安裝時就被扭曲,則扭曲損傷就會很快發生。在工作中,扭曲現象會將O型圈切斷,產生大量漏油,而且切斷的O型圈會混到液壓系統的其他部位,造成重大事故。

為了防止O型圈的扭曲損傷,在設計時應注意以下幾點:

1).O型圈安裝溝槽的同心度大小,應從加工方便和不產生扭曲現象兩個方面來考慮。

2).O型圈斷面尺寸應均勻,并且在每次安裝時都應在密封部位充分涂抹潤滑油或潤滑脂。有時也可以采用浸透潤滑油的氈圈式加油裝置。

3).加大O型圈的截面直徑,動密封用O型密封圈的截面直徑一般應大于靜密封用O型圈;此外,O型圈應避免用作大直徑活塞的密封。

4).在低壓下也產生扭曲損傷時,可使用密封圈保護擋圈。

5).降低缸筒和活塞桿的表面粗糙度。

6).采用低摩擦系數的材料制作O型密封圈。

7).可用不易產生扭曲現象的密封圈代替O型圈。

4、磨粒磨損現象

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5、滑動表面對O型圈的影響

滑動表面的粗糙度是影響O型圈表面摩擦與磨損的直接因素。一般地說,表面光潔摩擦與磨損就小,所以滑動表面的粗糙度數值往往很低(Ra0.2~0.050μm)。但是,試驗表明,表面粗糙過低(Ra低于0.050μm)又會給摩擦與磨損帶來不利的影響。這是因為微小的表面凹凸不平,可以保持必要的潤滑油膜。因此要選擇適當的表面要求。

滑動表面的材質對O型圈的壽命也有影響。滑動表面材質的硬度越大、耐磨性越高、保持光潔的能力就越強,O型圈的壽命也就越長。這也是液壓缸活塞桿表面鍍鉻的重要原因。同理可以解釋具有同樣粗糙度的用銅、鋁合金制成的滑動表面比鋼制滑動表面對密封圈的摩擦與磨損更為嚴重,低硬度、大壓縮量的密封圈不如高硬度、小壓縮量的密封圈耐用的情況。

6、摩擦力與O型圈的應用

在動密封裝置中,摩擦與磨損是O型圈損壞的重要影響因素。磨損程度主要取決于摩擦力的大小。當液體壓力微小時,O型圈摩擦力的大小取決于它的預壓縮量。當工作液體承受壓力時,摩擦力隨之工作壓力的增加而增大。在工作壓力小于20MPa的情況下,近似地呈線形關系。壓力大于20MPa時,隨著壓力的增加,O型圈與金屬表面接觸面積的增加也逐漸緩慢,摩擦力的增加也相應緩慢。在正常情況下,O型圈的使用壽命隨著液體壓力的升高將會近似的呈平方關系而減小。

摩擦力的增加,使得旋轉或往復運動的軸與O型密封圈之間產生大量的摩擦熱。由于多數O型圈都是用橡膠制成的,導熱性極差。因此,摩擦熱就會引起橡膠的老化,導致O型圈實效,破壞其密封性能。摩擦還會引起O型圈表面損傷,使壓縮量減小。嚴重的摩擦會很快引起O型圈的表面損壞,失去密封性。作氣動往復運動用密封時,摩擦熱還會引起粘著,造成摩擦力進一步增加。

運動用密封在低速運動時,摩擦阻力還是引起爬行的一個因素,影響元件和系統的工作性能。所以對運動密封來說,摩擦性是重要性能之一。摩擦系數是摩擦特性的一個評價指標,合成橡膠摩擦系數較大,由于密封在運動狀態時,通常處于工作油液或潤滑劑參與的混合潤滑狀態,摩擦系數一般在0.1以下。摩擦力的大小在很大程度上取決于被密封件的表面硬度與表面粗糙度。

7、焦耳熱效應

橡膠材料的焦耳熱效應,是指處于拉伸狀態的橡膠遇熱產生收縮的現象。在安裝O型圈時,為了使它在密封溝槽內不產生竄動,在用作往復運動密封時,不產生扭曲現象,一般使它處于某種程度的拉伸狀態。但如果將這種安裝方法用于旋轉運動,就會產生不良的結果。本來已經緊箍在旋轉軸上的O形密封圈,因旋轉運動產生的摩擦熱而收縮,進而使這種緊箍力增大,這樣,產生摩擦熱→收縮→緊箍力增大→產生摩擦熱→……,如此反復循環,就大大地促進了橡膠的老化和磨損。


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