基于水下設備的O形密封圈選型和設計

柳初萌，顧靖華

隨著人類對海洋資源不斷地開拓利用，應用于水下的設備也越來越多樣化。由于水下作業具有深度大、時間長和復雜性高等特點，且直接關系到人身安全，因此人們對水下設備的可靠性和安全性提出了越來越高的要求。其中，密封設計是保證水下設備正常使用、安全可靠的關鍵環節。密封泄漏或失效，輕者使裝備不能正常工作，重者會使裝備產生腐蝕或破壞，甚至危及人員生命安全。O形密封圈作為保證密封性的重要措施，在設備的結構設計中應加以重點考慮。本文以水下環境為基礎，針對具體的閥件閥桿，對O形密封圈的密封方式、密封圈材質作比較選擇，對密封圈的尺寸及對應溝槽的參數進行設計計算。

1 O形密封圈的分類及選材

1.1 密封的分類 根據接觸面間的相對運動狀態，密封可分為動密封和靜密封［1］，如圖1所示。動密封是指密封接合面之間有相對運動，如旋轉密封和活塞缸體密封等;靜密封是指密封面之間沒有相對運動的密封。O形密封圈主要安裝于密封溝槽中，既可用于靜密封，也可用于動密封。在密封介質存在微壓時，O形密封圈依靠預壓縮變形后的彈性力，對密封接觸面施以一定的壓力，從而達到密封目的。與其他密封元件相比，O形密封圈具有諸多優點:結構簡單，設計、加工成本低;安裝方便，風險較低;便于存放、維護和修理;材料選擇范圍廣，可適用于各種不同環境。

圖1 密封的分類

1.2 O形密封圈的材料選擇 為了滿足耐溫、耐壓、耐摩擦等要求，O形密封圈較多選用具有彈性及優良性能的合成橡膠材料。隨著工程技術的不斷發展，更多的新型復合材料得到了應用，當O形密封圈的使用溫度和壓力超過合成橡膠的耐受值時，合成樹脂如四氟乙烯、尼龍等成為較理想的材料。

陸上設備通常工作在常規的大氣環境下，密封設計的原則主要是保證設備內部工作環境與大氣環境的隔絕，并不需要過多地考慮周圍環境對設備本身及相應密封元件造成的侵蝕。而水下設備大多工作在海水環境中，工作深度從幾十米到幾百米，設備不僅要承受內部高壓，還要承受外界海水壓力。同時，水下設備直接暴露在海水中，密封元件不僅要耐壓，還要耐海水腐蝕。所以，水下設備不僅在結構設計上要緊湊，在材料選擇上也要考慮海水的腐蝕問題。

針對海洋水下環境的特殊要求，需要O密封形圈具有耐壓、耐油、耐低溫、耐磨損、耐腐蝕等特點［2］。橡膠O形密封圈性能穩定，能夠滿足上述要求，且具有出色的記憶特性，其總是傾向于恢復初始的截面形狀，從而產生對接觸面的壓緊力。在較小的接觸壓力下，橡膠O形密封圈能填充接觸面的凹凸不平，形成密封面，從而保證密封性能。另外，在選擇橡膠O形密封圈材料時還應重點考慮以下幾個方面:(1)工作介質。所選用的橡膠材料應能耐受工作介質的長期浸泡和腐蝕。(2)工作溫度。應充分考慮極限溫度、連續工作溫度以及溫度突變等因素。(3)工作壓力。一般工作壓力在10 MPa以下時，橡膠的邵氏A硬度在70度以下為宜;工作壓力在10～20 MPa時，硬度在70～80度為宜;工作壓力在大于20 MPa時，硬度在80度以上為宜。

2 橡膠O形密封圈的密封機理及溝槽設計

2.1 密封機制 橡膠O形密封圈安裝在溝槽和被密封面之間，由于空間的限制，受到一定的壓縮變形。橡膠的穩定性能使O形密封圈在形變后回復到原始狀態，從而產生了對接觸面的反彈預緊力，稱為預密封。水體介質壓力作用在橡膠O形密封圈上，通過形變的橡膠材料傳遞給接觸面，隨著介質壓力的不斷增大，接觸面的壓力大于內壓，形成自緊密封。

2.2 O形橡膠圈的選擇及溝槽設計 O形圈密封具有密封性可靠，密封部位簡單，易拆卸，運動摩擦阻力小等特點，在水下設備中廣泛使用。影響其密封性能的主要因素是密封圈的預壓縮率及密封處的配合精度，因此，如何選配密封圈及密封槽尺寸，是保證密封可靠和使用壽命的關鍵問題［3］。

某型呼吸閥件充氣控制器的閥桿和閥座連接圖見圖2。高壓氣體從進氣口進入，推動閥座向上運動，從而壓縮彈簧，并帶動閥桿一并向上移動，起到調節出氣口供氣壓力的作用。由圖可知，閥桿與閥座之間存在相對運動，既要保證閥件的密封性和工作性能，又要確保密封元件在工作過程中不易損壞，本設計中選用了橡膠O形圈，采用動密封，并在密封圈兩側加裝擋圈。圖2中O形密封圈孔、軸直徑分別為，為滿足整體設計要求，選擇尺寸為

因橡膠材質的不可壓縮性，決定了預壓縮前后密封圈體積不變，故O形密封圈在安裝前后體積相等，即可列出等式(1):

式中，D0——密封圈內徑(mm);d0——密封圈斷面直徑(mm);D——孔直徑(mm);δ——密封圈過盈量(mm);d1——壓縮后的密封圈斷面直徑(mm)。

其中，δ可根據表1取值，D＜30mm，動密封，δ取0.3mm。為便于計算，此處用D+δ－d0代替D+δ－d1，計算得d1=2.611mm。將 d1返回到式(1)，求出 d2=2.607mm。如此反復，可計算得d3、d4……，最后取dn=2.61mm。將結果代入式(2)，得密封槽內徑D1=11.08mm。

表1 孔直徑與過盈關系推薦值(mm)

密封槽寬度B可按(1.3 ～1.5)d0估算得到［5］，考慮其中設置了防擠入擋圈，還需加上2個擋圈厚度(每個擋圈厚度為2 mm)，得到B=(7.45 ～7.98)mm。

密封圈的壓縮率ε可由式(3)表示，h0為密封圈槽底至被密封面的距離，如圖4所示。

根據 GB/T 3452.3-2005［4］要求，可取 ε =20%，從而計算得h0=2.12 mm。

圖4 密封圈壓縮率

3 橡膠O形密封圈密封性能的影響因素

影響O形橡膠密封圈性能的因素很多，在工程設計和使用安裝中要綜合分析和考慮各方面要素，才能最大限度地保證設備的密封性能。

3.1 設計中的注意事項 O形橡膠密封圈的尺寸選擇應嚴格按照 GB/T 3452.3-2005［4］的要求，同時，溝槽設計須遵循“2.2”中提出的設計方法。此外，在設計中還應注意以下幾點:(1)溝槽的截面面積一定要大于O形圈的截面面積，橡膠是不可壓縮的，在外壓作用下，不可能改變它的體積，只能導致形狀的改變。(2)接觸面表面粗糙度設計要合適，避免不光滑表面造成的摩擦力過大。(3)耐高低溫性能好。作為在水下設備中使用的密封圈，更要要求橡膠材料具有良好的低溫環境，保證在低溫下不硬化、脆裂。

3.2 使用中的注意事項 (1)密封圈安裝前應對密封槽進行外觀檢查，防止雜物、灰塵、缺欠和刮傷等情況出現，從而導致密封性能下降。(2)安裝前應涂以潤滑脂，以增強密封效果。(3)安裝時可在密封圈通過部位的螺紋或表面，用膠帶包住，可有效保護密封圈，防止其在安裝過程中意外碰傷。此外，O形密封圈在使用過程中，往往會因為一些不合理的設計和不恰當的使用，而失去原有的密封效能，為了確保O形橡膠圈的密封性能，在使用過程中應盡量避免以下情況的發生:(1)壓縮永久變形大。使用一段時間后，取出密封槽中的O形圈，發現形體變扁不能恢復原狀，彈性已經喪失。原因為部件長期工作在溫度過高的環境中，超出了橡膠材料的耐受閾值;密封槽設計不合理，造成壓縮率過大，超過了O形圈彈性恢復能力。(2)扭轉。動密封情況下，O形圈和被密封面之間存在相對運動，如果安裝時產生的偏心度較大，就會出現扭轉現象［5］。這種情況下，O形圈容易被切斷，密封失效，而如果切斷的O形圈掉進設備中，可能會造成重大事故。(3)擠出。在工作壓力作用下，O形圈被擠向另一側。主要原因是密封槽和被密封面之間存在間隙，當壓力超過一定限度時，O形圈會發生被擠出的現象。在溝槽中密封圈的兩側增設擋圈，可以降低O形圈被擠出的可能。

4 結束語

水下人員生命支持設備以及水下作業設備正得到廣泛的應用，為了提高這些設備的可靠性和安全性，密封性設計在其中起著極其關鍵的作用。相對于較復雜的機械系統、電子設備，類似O形圈這樣的密封元件雖然是個小部件，但卻十分重要，它們甚至決定了設備的使用性和安全性。因此，在水下設備的工程設計過程中，安全、可靠的密封設計不容忽視。

［1］ 彭旭東，王玉明，黃興，等.密封技術的現狀與發展趨勢［J］.液壓氣動與密封，2009，(4):5-11.

［2］ 洪嘯虎，薛尚文，常興，等.基于海洋環境的水下液壓系統密封技術研究［J］.液壓氣動與密封，2012(3):15-16.

［3］ 馮利軍，臧彥斌.O形橡膠密封圈的選擇與設計［J］.現代車用動力，2008，8(3):46-48.

［4］ 中華人民共和國質量監督檢驗檢疫局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 3452.1-2005.液壓氣動用O形橡膠密封圈第1部分:尺寸系列及公差［S］.北京:中國標準出版社，2005.

［5］ 吳宗澤.機械零件設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2004:12-85.