橡膠O形圈的密封機理探討

郭文芳 焦亮 劉毅 孫思杰

摘要：橡膠O形圈是陶瓷工廠、建筑建設、航天器等領域重要的密封結構形式之一，不僅密封性能優秀價格也便宜，應用極為廣泛。基于此，為使橡膠O形圈充分發揮其密封性能，本文對其密封機理進行深入探討，同時結合常見的泄露原因研究解決措施，以供參考。

關鍵詞：橡膠O形圈;密封機理;泄露

引言：橡膠O形圈為截面形狀是圓形的環形橡膠密封件，多應用于液壓設備，若是其密封性受到影響，容易使相關設備內的流體和物質滲漏，不僅會造成相關損失，還有可能引發安全問題。因此，探討橡膠O形圈的密封機理、做好提前控制是必要的。

1.探討橡膠O形圈的密封機理

橡膠O形圈屬于密封結構的一種，由于其結構簡單，且無論是制造生產還是安裝使用都較為簡單，因此該密封結構應用極為廣泛。當橡膠O形圈用作固定密封結構時，承受的壓力最高為400MPa，而且，橡膠O形圈密封構造較為簡單，所以適用性較強，可用于端面、外徑等處。從當前橡膠O形圈發展情況來看，較為常用的結構主要有八種，分別為：孔用往復運動密封、活塞桿用往復運動密封、徑向固定密封、旋轉運動軸密封、端面倒角固定密封、軸向固定密封、外壓作用式軸向靜密封和內壓作用式軸向靜密封。由于該密封件為擠壓型密封件，所以在使用時需要借助密封槽與其之間的預壓縮作用，利用產生的彈性變形滿足密封目標。因此，其密封機理具體如下：

當橡膠O形圈使用時，往往需要承受壓力P，比如壓縮空氣或是液壓油等，在該情況下，橡膠O形圈將會移至密封槽低壓側，隨著壓力的變化，橡膠O形圈與工作介質之間還會產生附加的接觸應力σc，在該應力和初始接觸應力σ0共同作用下，能夠有效實現密封目的。

建立指標坐標系，z軸假設為壓力P的作用方向，之后于橡膠O形圈中以隨意選取的方式選擇受力微元體，那么在壓力的作用下，其主要呈現壓縮應力狀態。與此同時，按照x、y、z的順序其受力在坐標軸上分別-σx、-σy和-P，其中，負號（-）和正好（+）分別代表壓應力和拉應力，對應的在x、y方向上的變形分別為εx和εy，線應變分別為：εx=-σx/E+（P+σy）/E;εy=-σy/E+μ（P+σx）/E。其中，E、μ、εx和εy分別為材料彈性模量（Pa）、材料泊松比或橫向變形系數、受力微元體x方向的線應變和y方向的線應變。受力構件軸線尺寸和橫向尺寸呈反比例關系，即前者伸長則后者收縮，前者縮短則后者伸長。但是，橫向變形系數不會超出一定范圍，二者的絕對值比代表著一個基本性能，具體數值需要根據橡膠O形圈的使用需要并由實驗確定。

由于橡膠O形圈所使用的密封槽主要材質為金屬材料，且剛性良好，因此即便壓力P存在，密封槽的線應變也十分小，甚至可以將其等同于0。這意味著，εx與εy在x、y軸方向的線應變也可看作為0，即：εx=-σx/E+（P+σy）/E=εy=-σy/E+μ（P+σx）/E=0，最終可以得到σc=σx=σy=μP/1-μ，即附加接觸應力，σc。然而，單憑附加接觸應力σc無法實現密封，還需要通過壓縮產生的彈性變量獲得足夠的初始接觸應力σ0，從而保證橡膠O形圈得以有效密封工作介質[1]。

總而言之，在壓力P較高的情況下，橡膠O形圈安裝在密封槽中產生的彈性變量也較大，且二者呈正比例關系，所以，在一定范圍內，附加接觸應力σc越會隨著工作介質壓力P的提升而加大，這就是橡膠O形圈得以有效密封的機理。

2.橡膠O形圈泄露原因及解決措施

2.1泄漏原因

從當前情況來看，橡膠O形圈泄露原因主要有三，分別為：一是設計不合理，缺乏作業場景考慮，且較常出現擠入密封間隙損傷損壞，最終因變形、損壞影響密封性能，最終出現介質滲漏;二是安裝及拆卸時出現損傷損壞，比如橫向孔洞的尖角或是硬度過高等，導致其拉伸變形較大，進而出現損傷損壞;三是存在污染，且存儲不當，橡膠O形圈出現老化。

2.2解決措施

首先，科學設計橡膠O形圈，綜合考慮設計內容，保證其性能參數和構造合理。在設計制造橡膠O形圈時，應分析該密封件的應用環境，比如是用作旋轉運動密封還是往復運動密封，進而開展差異化設計制造工作。同時，掌握應用現場環境情況，例如溫度大小、相對運動速度高低等，在對各方面綜合分析后選擇合適規格的橡膠O形圈和密封構造。此外，還要做好密封槽的加工制造質量把控，一般按照軸向、活塞、活塞桿等溝槽尺寸選用，為保證槽口和槽底的圓柱面之間同軸度，應采用圓角光滑連接，并檢查橡膠O形圈質量，使其表面光潔，不存在損傷損壞。值得注意的是，選擇合適的密封間隙，這是因為對于橡膠O形圈而言，相對運動耦合面應具有供潤滑油膜層形成的間隙，通常狀況下，橡膠O形圈硬度和介質壓力p決定間隙大小。若是間隙不合理，不僅會影響制造裝配，還會造成介質泄露。因此，最好選用H8/f8或H9/f9的間隙配合，將表面粗糙值控制在1.6-0.8μm范圍內，從而保證密封間隙合理。

其次，規范裝配流程。加工制造導向錐面，將潤滑油均勻、適量涂抹在橡膠O形圈運動時途徑的桿件表面，降低摩擦阻力，為后續順利安全奠定基礎。若是需要涉及橫向孔洞，則要控制其截面直徑，保證其不大于橡膠O形圈內徑，并在將其倒角加工為圓角，保證橡膠O形圈質量。值得注意的是，實際安裝過程要足夠細心，不得造成拉伸變形[2]。

最后，保證環境干凈整潔，做好儲藏和保管工作。加強液壓油污染與防護，做好定期檢測與管理，清洗過濾芯、及時更換液壓油，其中，補充的液壓油要與原本液壓油品種相同等，以此保證橡膠O形圈的工作介質清潔度符合相關標準與要求。在儲藏和保管方面，主要使用聚四氟乙烯塑料袋，以密封的形式保存橡膠O形圈，做好信息標識并防至干燥、通風性能良好以及較為陰涼的位置。

結論：綜上所述，為充分發揮橡膠O形圈的密封性能，應對其密封機理進行深入研究，明確該密封件良好密封效果的實現基礎，進而在后續設計、結構選用、安裝、存儲等方面科學、合理進行，滿足實際使用需要，避免出現工作介質滲漏現象。

參考文獻：

[1]蔡祖光. 陶瓷工廠常用O形橡膠密封圈的泄露及其解決途徑[J]. 佛山陶瓷，2020，30（12）：32-40.

[2]蔡祖光. 建筑材料生產企業O形橡膠密封圈及其應用（二）[J]. 磚瓦，2019（8）：27-32.