O形密封圈的密封原理-三泰軸承技術(shù)

 O 形密封圈簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)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(fù)運(yùn)動(dòng)密封中；不僅可單獨(dú)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(dāng)，可以滿足各種運(yùn)動(dòng)條件的要求，工作壓力可從 1.333×105Pa 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(diǎn)： 
1）結(jié)構(gòu)尺寸小，裝拆方便。 
2）靜、動(dòng)密封均可使用，用作靜密封時(shí)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(dòng)摩擦阻力較小。 
5）價(jià)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(fā)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(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。在用于靜密封和動(dòng)密封時(shí)，密封接觸面接觸壓力產(chǎn)生原因和計(jì)算方法不盡相同，需分別說明。 
1、用于靜密封時(shí)的密封原理 
    在靜密封中以O(shè) 形圈應(yīng)用最為廣泛。如果設(shè)計(jì)、使用正確，O 形密封圈在靜密封中可以實(shí)現(xiàn)無泄漏的絕對(duì)密封。 
    O 形密封圈裝入密封槽后，其截面承受接觸壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形。對(duì)接觸面產(chǎn)生一定的初始接觸壓力Po。即使沒有介質(zhì)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(shí)現(xiàn)密封；當(dāng)容腔內(nèi)充入有壓力的介質(zhì)后，在介質(zhì)壓力的作用下，O 形密封圈發(fā)生位移，移向低壓側(cè)，同時(shí)其彈性變形進(jìn)一步加大，填充和封閉間隙δ。此時(shí)，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(jīng) 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(shù)，對(duì)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?jí)毫?，就能?shí)現(xiàn)無泄漏的絕對(duì)密封。這種靠介質(zhì)本身壓力來改變O形密封圈接觸狀態(tài)，使之實(shí)現(xiàn)密封的性質(zhì)，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(shí)際上O 形密封圈安裝時(shí)可能會(huì)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(dòng)密封取較小的壓縮率值。這是因?yàn)楹铣上鹉z在低溫下要壓縮，所以靜密封O 形圈的預(yù)壓縮量應(yīng)考慮補(bǔ)償它的低溫收縮量。 
2、用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封時(shí)的密封原理 
在液壓轉(zhuǎn)動(dòng)、氣動(dòng)元件與系統(tǒng)中，往復(fù)動(dòng)密封是一種最常見的密封要求。動(dòng)力缸活塞與缸體、活塞干預(yù)缸蓋以及各類滑閥上都用到往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封。縫隙由圓柱桿與圓柱孔形成，桿在圓柱孔內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)。密封作用限制流體的軸向泄漏。用作往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封時(shí)，O 形圈的預(yù)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(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰?。但由于液體介質(zhì)密封時(shí)，由于桿運(yùn)動(dòng)速度、液體的壓力、粘度的作用，情況比靜密封復(fù)雜。 
     當(dāng)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(gè)強(qiáng)固的邊界層油膜，并且對(duì)滑移面產(chǎn)生極大的附著力。該液體薄膜始終存在于密封件與往復(fù)運(yùn)動(dòng)面之間，它亦起一定的密封作用，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)密封面的潤滑是非常重要的。但是對(duì)泄漏來講是有害的。但往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸向外拖出時(shí)，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(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸縮回時(shí)，該液體薄膜便被密封元件阻留在外面。隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程次數(shù)增多，阻留在外面的液體就越多，最后形成油滴，這就是往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yīng)減小，所以液壓設(shè)備在低溫下啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)開始時(shí)的泄漏較大，隨著運(yùn)動(dòng)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(shì)。
    O 形圈作為往復(fù)式密封，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，可以降低元件價(jià)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(dòng)滑閥和氣動(dòng)缸中。 
 4）作為組合式往復(fù)動(dòng)密封裝置中的彈性體。 
    O 形圈作為往復(fù)動(dòng)密封最適合小直徑、短行程、中低壓力的應(yīng)用場(chǎng)合，氣動(dòng)缸、氣動(dòng)滑閥等往復(fù)運(yùn)動(dòng)元件中。在液壓元件中，用O 形圈作主要?jiǎng)用芊?，一般限于短行程?10MPa 左右的中低壓力。O 形圈不適合用作速度非常低的往復(fù)動(dòng)密封和單獨(dú)作為高壓往復(fù)動(dòng)密封。這主要是因?yàn)樵谶@種條件下摩擦較大，會(huì)導(dǎo)致密封過早失效。在任何型式應(yīng)用中，都要根據(jù)密封件的額定數(shù)據(jù)或能力來使用，并且要裝配得當(dāng)，才能得到滿意的性能。 
3、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用密封 
    在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封中，通常采用油封和機(jī)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(fù)雜，工藝性也差。機(jī)械密封雖然可用于高壓（40MPa ）、高速（50m/s）及高溫（400℃），但是結(jié)構(gòu)更加復(fù)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(jī)械設(shè)備上。 
O 形圈用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)存在的主要問題是焦耳熱效應(yīng)。焦耳熱效應(yīng)使高速的旋轉(zhuǎn)軸與O 形圈的接觸處產(chǎn)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(yán)重變形，壓縮量與伸長(zhǎng)量發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)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(xiàn)象，加速密封的磨損。 
     基于上述情況，近年來國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用 O 形圈進(jìn)行了廣泛深入的研究。為了避免出現(xiàn)焦耳熱效應(yīng)，關(guān)鍵在于根據(jù)橡膠的性能來正確地選擇設(shè)計(jì)O 形圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是O 形圈的拉伸量和壓縮率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用O 形圈設(shè)計(jì)成內(nèi)徑與旋轉(zhuǎn)軸直徑相等或稍大些，一般大3％~5％，在安裝O 形圈時(shí)，從內(nèi)徑向里壓縮，并將斷面的壓縮量也設(shè)計(jì)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(yīng)用于最高轉(zhuǎn)速達(dá)4m/s 的旋轉(zhuǎn)軸的密封。 
     近年來又出現(xiàn)了耐熱氟橡膠和耐磨聚氨酯橡膠，并且對(duì)橡膠元件工作的焦耳熱效應(yīng)有了更深入的了解，并針對(duì)此問題研究解決方案，設(shè)計(jì)出了新的O 形圈密封結(jié)構(gòu)，使O 形圈能夠更好的應(yīng)用與高速、高壓的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 
     O 形密封圈由于其具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工藝性能好、適用范圍廣泛等特點(diǎn)，正廣泛地在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式密封裝置中推廣。

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