氣動系統中O形橡膠密封圈的應用

柳書權

廈門精合電氣自動化有限公司，福建廈門，361027

0 引言

O形橡膠密封圈在應用過程中，在不同介質條件和運動狀態下，所產生的密封作用存在一定差異，不同材質的O形橡膠密封圈在油、酸以及堿等化學侵蝕環境下依然能夠保持良好的密封和減震作用。在氣動系統中，O形橡膠密封圈的合理應用能夠直接影響系統整體可靠性，所以必須做好O形橡膠密封圈應用設計工作，充分考慮到其應用穩定性與使用壽命，結合O形橡膠密封圈的基本原理，解決實際應用中存在的具體問題。

1 常用密封構造

O形橡膠密封圈的密封構造具有多種不同類型，按照O形橡膠密封圈的橫截面變化規律，可以采用不同的構造模式，主要包括徑向密封與軸向密封，徑向密封具有不同類型，比如外部密封以及活塞密封等，在一些特殊的條件下還可以采用梯形溝槽密封或三角形溝槽密封等多種不同方式[1]。

2 密封原理

O形橡膠密封圈發揮密封作用，需要將其安裝在一個合適的空間環境中，確保其橫向彈性變形作用能夠發揮，以此方式構成的表面壓縮為需要獲取的密封效果關鍵所在。其變形程度會受到溝槽的直接影響，溝槽深度為主要影響因素，通常變形程度利用壓縮率的方式表現，壓縮率采用百分比表現形式；在完成安裝之后，密封圈受到的壓力會降低。

3 密封圈材料

材料是影響O形橡膠密封圈作用發揮的關鍵因素，當前主要采用橡膠基本材料，橡膠材料具有良好的性能，能夠有效滿足O形密封圈的密封性、變形性等多項性能要求。但在確定密封圈的主要材質時，必須重視影響密封性能的主要因素，比如溫度與機械性能因素等。①在選擇O形橡膠密封圈材料時，不能只考慮到工作環境溫度，同時需要考慮到密封的介質溫度因素，在100℃空氣與100℃油液中，雖然工作環境溫度相同，但是對于O形橡膠密封圈材料的抗熱強度要求具有很大差異。②在選擇O形橡膠密封圈材料時，需要充分考慮到材質的性能，比如抗腐蝕能力以及化學性能等，確保材質性能可以滿足應用環境的需求，避免出現腐蝕以及破壞性問題。③在選擇材質時，需要全面考慮到其機械性能，結合O形橡膠密封圈的使用工況條件確定。例如，裝配位置為密封空間或暴露空間，需要選擇的機械性能不同；工作模式為靜態或非靜態，需要選擇的密封圈材質不同；預期荷載壓力不同的情況下，對于材料要求也具有很大差異；運動密封的運動規律性重復、持續變化等，都需要選擇不同的材質[2]。

4 硬度指標選擇

在評價密封圈的材料硬度時，一般按照國際標準規定的邵氏硬度進行評價；該硬度評價為對材質對比分析后的結果，能夠較為真實地反映出材質的硬度情況；該評價方式需要結合特殊的評價方法，在評價金屬材料時一般采用棱錐體作為穿透體的方式；在對橡膠材料硬度評價時，一般采用球體作為穿透體。在硬度評價中，如果材料厚度在3mm以下，不能采用其他評價標準，只允許采用邵氏硬度評價標準；線厚度低于1.5mm時，測量O形橡膠密封圈的硬度不具有實際意義。硬度不用于評價O形橡膠密封圈產品質量，而是用于評價O形橡膠密封圈產品功能，所以在選擇時需要考慮到實際承受壓力；通常情況下，彈性體越軟，則在壓力作用下越容易發生變形問題，受到擠壓力會進入到密封縫隙中；同時，彈性體越軟則越不適合低壓與不平整表面的密封[3]。

5 密封槽設計

為了使密封圈的密封作用能夠更好地發揮出來，必須將密封圈安裝在對應的密封槽中，通常情況下密封槽的界面為矩形形式，如圖1所示。

在圖1中，t表示密封槽深度；b表示密封槽寬度；h表示安裝空間的高度；g表示密封間隙；p表示介質壓力；A表示接觸面的具體面積；B表示密封槽壁白面與溝槽底部；C表示安裝較表面；r1表示密封槽底部位置的圓角半徑；r2表示密封槽上方邊緣位置的倒角半徑；z表示密封槽安裝角度長度。

從上圖中可以明確，O形橡膠密封圈的線徑與密封槽深度具有密切關系，該關系的表現形式為初始壓縮量，槽深度能夠影響密封圈所承載的實際壓力。在靜態條件下，一般初始壓縮率在20%~30%左右；動態模式中初始壓縮率一般為5%~20%；在設計密封槽寬度時，需要防止將密封槽填充過滿問題發生，保留O形橡膠密封圈體積膨脹的一定空間；按照設計要求以及實踐經驗來看，通常情況下O形橡膠密封圈需要能夠填充密封槽85%左右，這種設計方案能夠為O形橡膠密封圈體積膨脹保留了一定的空間[4]。

在選擇O形橡膠密封圈的軸向安裝與靜態安裝方法時，首先需要確定壓力方向，在內部壓力發生作用的情況下，O形橡膠密封圈在選擇時需要比密封槽外徑高出2%左右，這種設計方式使得O形橡膠密封圈在安裝后處于被稍微壓縮狀態，進而使得其外徑和密封槽空間保持一致；在外部壓力發生作用的情況下，O形橡膠密封圈的內徑需要低于密封槽內徑2%~3%，這種安裝方式能夠使O形橡膠密封圈安裝完成后拉緊，使其與密封槽空間保持相同。在密封槽設計時，關鍵尺寸以及公差具有如下幾項要求：代碼d1表示公差H11，為外軸直徑；代碼d2表示公差h11，為內軸直徑；代碼d3表示公差±0.25mm，為O形圈設計空間寬度（密封槽寬度）；代碼h表示公差±0.1mm，為O形圈設計空間徑向深度（密封槽深度）；代碼r1表示公差±（0.1~0.2）mm，為O形圈設計底部半徑（密封槽底部半徑）；代碼r2表示公差±0.1mm，為O形圈設計頂部邊緣半徑（密封槽頂部邊緣半徑）。

徑向、靜態或動態設計外部密封O形橡膠密封圈時，內徑需要低于密封槽底部直徑約2%左右，也就是O形橡膠密封圈在安裝進入密封圈時能夠稍微拉緊，最好采用徑向設計方案。

采用梯形作為密封槽的主要形式，能夠提升維護工作便利性，為維修工作提供有利條件，保證密封橡膠圈能夠正常使用。該密封槽形式，能夠在液體與氣體的介質中形成負壓，從而能夠將其吸到密封槽的外部位置，實現降低壓力的目標，但是這種密封槽的整體設計較為復雜，為了能夠提升密封槽質量，一般在線徑超過2.5mm時采用；在選擇半徑過程中，需要充分考慮到對 O形橡膠密封圈的保護，防止O形橡膠密封圈受到破壞，并確保O形橡膠密封圈在高壓狀態下不會出現從縫隙中擠出的問題[5]。

三角形密封槽通常用于端面與頂蓋的區域密封中，O形橡膠密封圈在安裝空間中有3個接觸面，從而難以確保穩定的接觸壓力，在加工制作過程中，如果無法達到公差規定要求，則無法有效發揮出密封效果，這種密封方式為O形橡膠密封圈預留的膨脹空間不足；在采用三角形密封溝槽設計方案時，不僅需要嚴格控制公差基本要求，同時需要保證O形橡膠密封圈線徑超過3mm以上；O形橡膠密封圈對于鋒利的表面較為敏感，所以為了防止O形橡膠密封圈在密封中受到損傷，在密封槽設計時需要充分考慮到鉆孔與軸的具體安裝角度以及粗糙度等問題。在不同的線徑條件下，活塞與活塞桿密封的最短設計角度見表1。

表1 活塞與活塞桿密封的最短設計角度

表面粗糙度要求取決于O形橡膠密封圈的使用位置，在設計過程中，通常情況下安裝空間的表面粗糙度設計見表2。

表2 密封槽空間各表面粗糙度建議

在密封行業中，一般采用Ra與Rz表示表面粗糙度，然而由于數據量較少，會對設計全面性產生影響，為此必須分析材料自身的粗糙度Rmr，Rmr是在截面深度C=0.25×Rz，以一條參考線CO=5%為基礎測試得到的數值，數值的50%~70%計入參考值范圍內。

6 密封失效原因

通常情況下，無論環境壓力數值大小，不同的材料都會釋放一定的氣體，在較小環境壓力狀態下，釋放率就越高，在真空環境下釋放率達到最高，為此在材料氣體釋放率不斷降低的條件下，就能夠在真空條件下發揮出更好的效果。

6.1 爆炸性減壓失效

在當前的石油化工以及壓縮機制造業等行業中，都面臨著O形橡膠密封圈失效的問題，主要表現為爆炸性減壓，且一般的密封零部件無法承受由于爆炸產生的強烈荷載，爆炸產生的瞬間較大壓力會引起氣體進入密封圈中的問題發生；在壓力降低后，氣體會從O形橡膠密封圈中得以釋放，從而導致過大減壓問題發生，氣體會在瞬間被全部釋放出來，O形橡膠密封圈的材料就會出現一定程度的裂紋或表現出氣泡問題，O形橡膠密封圈受到嚴重的破損進而導致失效問題發生。一般的O形橡膠密封圈在這種情況下會出現失效問題，從而導致密封效果下降，不足以抵抗這種力量，所以需要采用一些經過特殊設計且具有良好物理性能的彈性體，才能夠解決O形橡膠密封圈失效問題，如具有良好抗撕能力以及高模數的彈性體材料，才能夠避免O形橡膠密封圈失效問題發生。

6.2 扭曲失效

扭曲失效也是一項常見的失效性問題，主要發生在動密封條件下，當出現該失效問題時，密封圈會順著周向發生扭轉現象，引起該失效問題產生的因素具有多種不同類型，比如由于活塞桿和缸筒之間的間隙過大，或者密封圈直徑均勻性不符合規定等，都會導致密封圈出現扭曲失效的問題，因為導致O形橡膠密封圈在運動場合下受到的摩擦力不均勻，從而容易導致O形橡膠密封圈出現失效問題，一般情況下O形橡膠密封圈斷面尺寸越小，則越容易產生摩擦不均勻的問題。此外，因為密封溝槽存在同軸度偏差問題，密封高度不同以及O形橡膠密封圈斷面不均勻等問題，會導致O形橡膠密封圈的部分壓縮過大，其他部分受到的壓縮較小，會導致密封出現完全失效的問題。

6.3 磨粒磨損失效

在O形橡膠密封圈的間隙內具有相對運動時，密封圈所處條件中如果存在灰塵等物質，就會粘附在密封圈內部構件中，密封圈經過一段時間的運行后，粘附的物質就會增加其磨損程度，從而使其失去密封性，是引起磨粒磨損失效的主要因素。

7 密封失效解決對策

引起O形橡膠密封圈失效的因素較多，其中發生頻率最高的一項因素為磨粒磨損引起的失效，為此本文以磨粒磨損現象引起的O形橡膠密封圈失效問題作為研究對象，提出如下O形橡膠密封圈密封失效解決策略。

O形橡膠密封圈在進行往復運動時，所受到的摩擦阻力相比于純密封較小，但是O形橡膠密封圈受到的摩擦阻力較大，一般是運動摩擦阻力的3倍以上；O形橡膠密封圈的相對滑動表面粗糙度越大，或接觸的時間不斷延長，那么表面的摩擦就會不斷增加，從而導致密封圈出現嚴重的磨損失效問題。為了減少啟動摩擦力，防止O形橡膠密封圈失效問題發生，可以采用硬度較低的材料制作O形橡膠密封圈，同時配合專用潤滑劑降低摩擦，還可以采用降低壓縮模量等方法，最低壓縮模率可以降低到5%左右。常規O形橡膠密封圈的相對滑動表面的相對表面粗糙度在0.2~0.4μm時效果最好，表面硬度在50HRC以上時最好。

通常情況下，不能將O形橡膠密封圈應用于旋轉密封中，但是一些特殊情況下必須將O形橡膠密封圈應用于密封旋轉中，在應用過程中，只能使用在低速回轉密封中；旋轉與滑動密封對于O形橡膠密封圈的作用方式不同，需要考慮到焦耳效應，也就是處在拉伸狀態的橡膠預熱發生收縮變化。將O形橡膠密封圈應用于旋轉密封時，接觸區域產生的摩擦熱量溫度會不斷提升，O形橡膠密封圈材料在高溫狀態下會發生形態變化，也就是O形橡膠密封圈經過了摩擦生熱、收縮、箍筋力提升以及摩擦增大的過程，在這個反復循環過程中，會導致O形橡膠密封圈出現老化與磨損問題，進而導致O形橡膠密封圈失效。因此，通常將O形橡膠密封圈的內徑設計為與轉軸直徑相同或更大的形式，一般高出3%~5%左右；在安裝過程中，可以采用能夠使O形橡膠密封圈從外向內壓縮的方式，使得斷面的壓縮量更低，一般在3%~8%左右，在這種情況下，即使溫度升高，O形橡膠密封圈發生膨脹，也能夠與軸抱緊，從而實現旋轉密封效果。這種方式與滑動密封不同，但是依然采用滑動密封標準，所以難以獲得良好的密封效果，在設計過程中需要加以特別注意，采用相應的優化措施，就能夠解決O形橡膠密封圈失效問題，使得O形橡膠密封圈的密封作用得以發揮。

在解決O形橡膠密封圈失效問題時，需要通過檢查確定引起失效問題的主要原因，結合失效原因采用相應的解決策略，確保O形橡膠密封圈的密封性能得以恢復。針對不同失效原因，所采用的解決策略與方法不同，需要采用針對性的方法才能夠提高密封效果，并不斷對解決方式進行創新，確保O形橡膠密封圈能夠正常發揮出作用。

8 結語

本文簡要闡述了O形橡膠密封圈的主要密封構造與密封原理，并介紹了O形橡膠密封圈材料選擇的基本方法與硬度指標選擇方法，同時提出了密封槽的具體設計方案與優化措施，最后結合O形橡膠密封圈失效的主要原因提出多項有效的解決措施，希望能夠對氣動系統中O形橡膠密封圈設計起到一定的借鑒作用，不斷提升O形橡膠密封圈質量，并促進設計技術創新發展。