O型圈密封结构设计型圈密封结构设计1Li Qiang2011-01-07Johnson Controls | January 2009O型圈密封结构设计型圈密封结构设计1 1、O O型圈概述型圈概述2 2、O O型圈密封原理和要求型圈密封原理和要求3 3、O O型圈材料特性及选择型圈材料特性及选择4 4、O O型圈密封的设计原则型圈密封的设计原则5 5、O O型圈密封沟槽设计型圈密封沟槽设计6 6、O O型圈的性能型圈的性能7 7、O O型圈失效型圈失效8 8、O O型圈的变形发展型圈的变形发展9 9、O O型圈生产制造型圈生产制造1010、问题、问题2深层分析Johnson Controls | January 20091.0 O型圈概述型圈概述O O型圈是一种界面形状为圆形的型圈是一种界面形状为圆形的橡胶橡胶圈，是液压气动中应用最广泛的密封件圈，是液压气动中应用最广泛的密封件3深层分析Johnson Controls | January 20091.1 O型圈特点型圈特点特点：特点：1 1尺寸小装拆方便尺寸小装拆方便2 2动静密封均可用动静密封均可用3 3静密封几乎没有泄漏静密封几乎没有泄漏4 4单件使用双向密封单件使用双向密封5 5动摩擦力小动摩擦力小6 6价格低价格低4深层分析Johnson Controls | January 20092.1 O2.1 O型圈密封原理型圈密封原理 O O型圈密封是一种挤压型密封。当密封件产生初始形变和应力型圈密封是一种挤压型密封。当密封件产生初始形变和应力P Psealseal，P Pw wPPsealseal时，将不会泄漏。时，将不会泄漏。 P Pm m=P=P0 0+P+Pp p，P Pp p=K=KP P。 P Pm m=P=P0 0+K+KP P K K为介质压力传递给为介质压力传递给O O型圈压力的系数（对橡胶，型圈压力的系数（对橡胶，K=1K=1；对无缝钢管？复合密封圈？）；对无缝钢管？复合密封圈？） 因此，只要因此，只要O O型圈存在初始压力，就可实现无泄漏的绝对密封。型圈存在初始压力，就可实现无泄漏的绝对密封。 O O型圈密封是一种自密封结构。型圈密封是一种自密封结构。5深层分析Johnson Controls | January 20092.22.2 O O型圈密封压缩变形率选择型圈密封压缩变形率选择 理论上理论上0 0压缩也可实现密封，实际是不可能的。压缩也可实现密封，实际是不可能的。 偏心偏心 工作载荷下，工作载荷下，O O型圈拉伸，变细，就可能泄漏型圈拉伸，变细，就可能泄漏 低温低温 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）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）一般断面有一般断面有7%-30%7%-30%的压缩变形率，静密封取大的压缩率（的压缩变形率，静密封取大的压缩率（15%-30%15%-30%），动密封取小的压缩率（），动密封取小的压缩率（9-25%9-25%）偏心偏心6深层分析Johnson Controls | January 20092.32.3 O O型圈受内压、外压选择型圈受内压、外压选择 受内压受内压 O O型圈外径与沟槽外径相同型圈外径与沟槽外径相同 受外压受外压 O O型圈内径与沟槽内径相同型圈内径与沟槽内径相同 防止出现在工作压力下出现防止出现在工作压力下出现O O型圈直径变小。型圈直径变小。将将 O 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 O形圈截面过度增大或形圈截面过度增大或减小，因为拉伸减小，因为拉伸1%1%相应地使截面直径相应地使截面直径W W 减小约减小约0.5%0.5%。对于孔用（内压）密封，。对于孔用（内压）密封，O O形圈最好处于拉伸状态，最形圈最好处于拉伸状态，最大允许拉伸量为大允许拉伸量为6%6%；对于轴用（内压）密封，；对于轴用（内压）密封，O O 形圈最好延其周长方向受压缩，最大允许周长压缩量为形圈最好延其周长方向受压缩，最大允许周长压缩量为3%3%。受内压受内压受外压受外压7深层分析Johnson Controls | January 20092.42.4 O O型圈挤出原理型圈挤出原理8深层分析Johnson Controls | January 20092.4 O2.4 O型圈允许挤出间隙型圈允许挤出间隙 最大允许挤出间隙最大允许挤出间隙gmax gmax 和系统和系统压力，压力，O O 形圈截面直径以及材料硬形圈截面直径以及材料硬度有关。通常，工作压力越高，最度有关。通常，工作压力越高，最大允许挤出间隙大允许挤出间隙gmax gmax 取值越小。如取值越小。如果间隙果间隙g g 超过允许范围，就会导致超过允许范围，就会导致O O 形圈挤出甚至损坏形圈挤出甚至损坏, ,当压力超过当压力超过5MPa5MPa时，建议使用挡圈时，建议使用挡圈 材料硬度压力MPa O形圈截面直径W 1.78 2.62 3.53 5.33 7.00 邵氏硬度A70 3.50 0.08 0.09 0.10 0.13 0.15 7.00 0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 10.50 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 邵氏硬度A80 3.50 0.10 0.13 0.15 0.18 0.20 7.00 0.08 0.09 0.10 0.13 0.15 10.50 0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 14.00 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 17.50 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 邵氏硬度A90 3.50 0.13 0.15 0.20 0.23 0.25 7.00 0.10 0.13 0.15 0.18 0.20 10.50 0.07 0.09 0.10 0.13 0.15 14.00 0.05 0.07 0.08 0.09 0.10 17.50 0.04 0.05 0.07 0.08 0.09 21.00 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 35.00 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 9深层分析Johnson Controls | January 20092.42.4 O O型圈允许挤出间隙型圈允许挤出间隙10深层分析Johnson Controls | January 20092.52.5 O O型圈压缩量选择型圈压缩量选择液压液压- -气动气动- -静密封静密封液压液压- -动密封动密封气动气动- -动密封动密封和材料有关的和材料有关的O O形圈圆周方向的压缩力形圈圆周方向的压缩力11深层分析Johnson Controls | January 20093.03.0 O O型圈材料特性型圈材料特性12深层分析Johnson Controls | January 20093.13.1 O O型圈材料特性比较图型圈材料特性比较图13深层分析Johnson Controls | January 20093.23.2 O O型圈材料特性排序型圈材料特性排序14深层分析Johnson Controls | January 20093.33.3 O O型圈材料硬度型圈材料硬度15深层分析Johnson Controls | January 20093.43.4 O O型圈材料特性型圈材料特性16深层分析Johnson Controls | January 20093.53.5 O O型圈材料耐化学性型圈材料耐化学性17深层分析Johnson Controls | January 20093.63.6 O O型圈材料耐温性型圈材料耐温性18深层分析Johnson Controls | January 20093.73.7 O O型圈材料选择原则型圈材料选择原则外界因素：外界因素：1 1，工作状态：动密封，静密封；连续工作，间断工作等，工作状态：动密封，静密封；连续工作，间断工作等2 2，工作介质：液体、气体还是两相流，及介质的物理化学性能，与介质相容性，工作介质：液体、气体还是两相流，及介质的物理化学性能，与介质相容性3 3，工作压力：介质工作压力高低，压力波幅，瞬时最大压力，工作压力：介质工作压力高低，压力波幅，瞬时最大压力4 4，工作温度：瞬时温度和冷热交变温度，工作温度：瞬时温度和冷热交变温度5 5，成本来源：成本低，来源广，成本来源：成本低，来源广O O型圈的硬度硬度：型圈的硬度硬度：一般为一般为70-9070-90邵氏硬度，静密封选低值邵氏硬度，静密封选低值7070，旋转密封取高值，旋转密封取高值8080，极少采用，极少采用9090。19深层分析Johnson Controls | January 20094.04.0 O O型圈设计原则型圈设计原则通则：通则：O O型圈密封是挤压式密封，设计主要内容为型圈密封是挤压式密封，设计主要内容为O O型圈的压缩和拉伸。型圈的压缩和拉伸。O O型圈直径型圈直径压缩压缩和和拉伸拉伸。 a a，压缩量过小：泄漏，压缩量过小：泄漏 b b，压缩量过大：应力松弛引起泄漏，压缩量过大：应力松弛引起泄漏 c c，拉伸量过大：界面直径减少太大而引起泄漏，拉伸量过大：界面直径减少太大而引起泄漏4.0 4.0 压缩率设计：压缩率设计： W%=(dW%=(d0 0-h)/d-h)/d0 0。 a a，有足够的密封接触面积，有足够的密封接触面积 b b，避免永久变形，避免永久变形 c c，摩擦力尽量小，摩擦力尽量小 圆柱静密封：圆柱静密封：10%-15%10%-15%，平面静密封：，平面静密封：15%-30%15%-30%。 往复运动密封：往复运动密封：10%-15%10%-15%。 旋转动密封：内径比轴大旋转动密封：内径比轴大3%-5%3%-5%，外径压缩率为，外径压缩率为3%-8%3%-8%。 低摩擦用密封：一般为低摩擦用密封：一般为5%-8%5%-8%，考虑介质和温度引起的膨胀，考虑介质和温度引起的膨胀， 如超过如超过15%15%，重新选材。，重新选材。20深层分析Johnson Controls | January 20094.14.1 O O型圈设计原则型圈设计原则4.1 4.1 拉伸率设计：拉伸率设计： W%=(dW%=(d0 0+d)/(d+d)/(d0 0+d+d1 1) )。 O O型圈装入轴中后，一般会有拉伸，如果无拉伸，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，会导致装配时容易脱出，如拉伸过大，会导致O O型圈截面积型圈截面积减少太多，出现泄漏。减少太多，出现泄漏。 一般其拉伸量为一般其拉伸量为1%-5%1%-5%。21深层分析Johnson Controls | January 20094.24.2 O O型圈设计原则型圈设计原则4.2 4.2 接触宽度设计：接触宽度设计： O 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其与密封面密封面的接触宽度都和的接触宽度都和O O形圈的密封性能，其值过小会使密封性受形圈的密封性能，其值过小会使密封性受到影响到影响。 O O形圈变形后的宽度形圈变形后的宽度BoBo（mmmm）与）与O O形圈的压缩率形圈的压缩率W W和截面直径和截面直径d do o有关，有关，可用下式计算可用下式计算 B Bo o= =（1/(1-W)-0.6W1/(1-W)-0.6W）d do o （W W取取10%40%10%40%） O O形圈与形圈与密封面密封面的接触面宽度的接触面宽度b b（mmmm）也取决于）也取决于W W和和d do o： b=( 4W2+0.34W+0.31)d b=( 4W2+0.34W+0.31)do o ( W ( W取取10%40%)10%40%) 一般情况，考虑到压力脉动和抽真空的需求，一般情况，考虑到压力脉动和抽真空的需求，BoBo应接近于槽宽，应接近于槽宽，对于气体介质的密封，对于气体介质的密封，BoBo应比槽宽小应比槽宽小0.1-0.2mm0.1-0.2mm；对于液体介质的密封，；对于液体介质的密封， BoBo应比槽宽小应比槽宽小0.2-0.5mm0.2-0.5mm。 同时同时BoBo不应大于槽宽，否则承压后可能会减小密封不应大于槽宽，否则承压后可能会减小密封接触宽度接触宽度，同，同时减小密封接触应力而导致泄漏。时减小密封接触应力而导致泄漏。 有压力脉动时，槽宽过大会导致有压力脉动时，槽宽过大会导致O O型圈来回偏移，出现磨损；槽宽型圈来回偏移，出现磨损；槽宽过小会导致过小会导致O O型圈填满沟槽，导致阻力过大。型圈填满沟槽，导致阻力过大。bBo22深层分析Johnson Controls | January 20095.05.0 O O型圈沟槽设计型圈沟槽设计5.0 O5.0 O型圈沟槽设计：型圈沟槽设计： 槽体积比槽体积比O O型圈体积大型圈体积大15%15%左右。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。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。原则：容易加工，尺寸合理，精度容易保证，拆装方便。 a a，有压缩，有压缩3%-30%3%-30%的压缩。的压缩。 b b，在介质中膨胀，温升膨胀。，在介质中膨胀，温升膨胀。 c c，太窄磨损，太宽滚动磨损。，太窄磨损，太宽滚动磨损。 23深层分析Johnson Controls | January 20095.15.1 O O型圈沟槽设计型圈沟槽设计5.2 O5.2 O型圈沟槽深度设计：型圈沟槽深度设计： 槽深的设计决定槽深的设计决定O O型圈的设计压缩量，沟槽深度加上间隙小于型圈的设计压缩量，沟槽深度加上间隙小于O O型圈自由状态下型圈自由状态下O O型圈的线径。型圈的线径。 O O型圈的压缩量由内径压缩量型圈的压缩量由内径压缩量和外径压缩量和外径压缩量”构成。构成。 ”,O,O型圈安装时受拉伸；用于滑动密封，如活塞密封。型圈安装时受拉伸；用于滑动密封，如活塞密封。 5.3 O5.3 O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计：型圈沟槽槽口和槽底圆角设计： 槽口圆角：防止槽口圆角：防止O O型圈装配时出现割伤和刮伤。型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.1R=0.10.2 mm0.2 mm 过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤）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，槽底圆角：防止出现应力集中， 动：动：R=0.1R=0.11.0 mm 1.0 mm ，静，静:R=d:R=d0 0/2 mm /2 mm ， 24深层分析Johnson Controls | January 20095.35.3 O O型圈沟槽设计型圈沟槽设计5.4 O5.4 O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计：型圈沟槽槽口和槽底圆角设计： 槽口圆角：防止槽口圆角：防止O O型圈装配时出现割伤和刮伤。型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.1R=0.10.2 mm0.2 mm 过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤）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，槽底圆角：防止出现应力集中， 动：动：R=0.1R=0.11.0 mm 1.0 mm ，静，静:R=d:R=d0 0/2 mm /2 mm ， 5.5 O5.5 O型圈沟槽表面粗糙度设计：型圈沟槽表面粗糙度设计： 静密封：静密封：Ra=6.3Ra=6.33.23.2， 动密封：动密封：Ra=1.6 Ra=1.6 ， 旋转密封：轴凹槽：旋转密封：轴凹槽：Ra=0.4Ra=0.4或更小。或更小。A A，采用什么样的工艺来加工沟槽比较好。，采用什么样的工艺来加工沟槽比较好。B B，沟槽的粗糙度过大或过小会出现什么问题，沟槽的粗糙度过大或过小会出现什么问题。 25深层分析Johnson Controls | January 20095.45.4 O O型圈沟槽设计型圈沟槽设计5.6 O5.6 O型圈挡圈设计：型圈挡圈设计： 目的：防止目的：防止O O型圈在工作时出现间隙咬伤和挤出实效。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。使用：单向受压，一个挡圈；双向受压，两个挡圈。 26深层分析Johnson Controls | January 20095.55.5 O O型圈沟槽设计型圈沟槽设计5.7 O5.7 O型圈沟槽型式和公差：详见型圈沟槽型式和公差：详见 GB/T 34523GB/T 34523 27深层分析Johnson Controls | January 20095.65.6 O O型圈沟槽设计型圈沟槽设计5.8 O5.8 O型圈密封常见型式：型圈密封常见型式： 轴向密封轴向密封径向密封径向密封接头密封接头密封闷塞密封闷塞密封28深层分析Johnson Controls | January 20096.06.0 O O型圈性能型圈性能抗磨损抗磨损 29深层分析Johnson Controls | January 20096.16.1 O O型圈性能型圈性能密封性能密封性能 30深层分析Johnson Controls | January 20096.26.2 O O型圈密封要求型圈密封要求稳定性稳定性 31深层分析Johnson Controls | January 20096.36.3 O O型圈性能型圈性能抗挤出性抗挤出性 32深层分析Johnson Controls | January 20096.46.4 O O型圈性能型圈性能贴合性贴合性 33深层分析Johnson Controls | January 20097.07.0 O O型圈失效型圈失效7.0 O7.0 O型圈失效：型圈失效： O O型圈常见的失效原因有材型圈常见的失效原因有材料问题、压缩变形、间隙咬伤、料问题、压缩变形、间隙咬伤、扭曲现象、磨料磨损、表面粗扭曲现象、磨料磨损、表面粗糙度不当和焦耳效应等。糙度不当和焦耳效应等。 压缩变形，如右图所示：压缩变形，如右图所示： 34深层分析Johnson Controls | January 20097.17.1 O O型圈失效型圈失效7.1 O7.1 O型圈失效：型圈失效： O O型圈磨损，如右图所示：型圈磨损，如右图所示： 35深层分析Johnson Controls | January 20097.27.2 O O型圈失效型圈失效7.2 O7.2 O型圈失效：型圈失效： O O型圈安装损坏，如右图所示：型圈安装损坏，如右图所示： 36深层分析Johnson Controls | January 20097.37.3 O O型圈失效型圈失效7.3 O7.3 O型圈失效：型圈失效： O O型圈爆破失效，如右图所示：型圈爆破失效，如右图所示： 37深层分析Johnson Controls | January 20097.47.4 O O型圈失效型圈失效7.4 O7.4 O型圈失效：型圈失效： O O型圈热损伤和氧化，如右图型圈热损伤和氧化，如右图所示：所示： 38深层分析Johnson Controls | January 20097.57.5 O O型圈失效型圈失效7.5 O7.5 O型圈失效：型圈失效： O O型圈扭曲滚转损坏，如右图型圈扭曲滚转损坏，如右图所示：所示： 39深层分析Johnson Controls | January 20097.67.6 O O型圈失效型圈失效7.6 O7.6 O型圈失效：型圈失效： O O型圈挤出失效型圈挤出失效如右图所示：如右图所示： 40深层分析Johnson Controls | January 20097.77.7 O O型圈失效型圈失效7.7 O7.7 O型圈失效：型圈失效： O O型圈膨胀失效型圈膨胀失效如右图所示：如右图所示： 41深层分析Johnson Controls | January 20097.87.8 O O型圈失效型圈失效7.8 O7.8 O型圈失效：型圈失效： O O型圈老化型圈老化/ /氧化失效氧化失效如右图所示：如右图所示： 42深层分析Johnson Controls | January 20097.97.9 O O型圈失效型圈失效7.9 O7.9 O型圈失效：型圈失效： O O型圈非典型失效型圈非典型失效如右图所示：如右图所示： 43深层分析Johnson Controls | January 20098.08.0 其他型式的密封圈其他型式的密封圈O O型圈的常见的变形型式型圈的常见的变形型式 44深层分析Johnson Controls | January 20099.0 9.0 非标非标O O型圈制造型圈制造1 1，非标，非标O O型圈计算和制造型圈计算和制造2 2，标准大批量，标准大批量O O型圈如何型圈如何生产？飞边如何去除？生产？飞边如何去除？ 45深层分析Johnson Controls | January 20091010 QuestionQuestion？46深层分析