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  O形密封圈的密封原理

   O形密封圈簡稱O 形圈,是一種截面為圓形的橡膠圈。O形密封圈是液壓、氣動系統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, 也可用于往復運動密封中;不僅可單獨使用,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,可以滿足各種運動條件的 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:

 1)結構尺寸小,裝拆方便。

 2)靜、動密封均可使用,用作靜密封時幾乎沒有泄漏。

 3)使用單件O形密封圈,有雙向密封作用。

 4)動摩擦阻力較小。

 5)價格低廉。

   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的內壓, 則不發生泄漏,反之則發生泄漏。在用于靜密封和動密封時,密封接觸面接觸壓力產生原因和計算方法不盡相同,需分別說明。

   1、用于靜密封時的密封原理

   在靜密封中以O形圈應用最為廣泛。如果設計、使用正確,O 形密封圈在靜密封中可以實現無泄漏的絕對密封。

   O形密封圈裝入密封槽后,其截面承受接觸壓縮應力而產生彈性變形。對接觸面產生一定的初始接觸壓力Po。即使沒有介質壓力或者壓力很小,O 形密封圈靠自身的彈性力作用而也能實現密封;當容腔內充入有壓力的介質后,在介質壓力的作用下,O 形密封圈發生位移,移向低壓側,同時其彈性變形進一步加大, 填充和封閉間隙δ。此時,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,對于橡膠制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 形密封圈存在初始壓力,就能實現無泄漏的絕對密封。這種靠介質本身壓力來改變O形密封圈接觸狀態,使之實現密封的性質,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,但實際上O 形密封圈安裝時可能會有偏心。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,動密封取較小的壓縮率值。這是因為合成橡膠在低溫下要壓縮,所以靜密封O 形圈的預壓縮量應考慮補償它的低溫收 縮量。

      2、用于往復運動密封時的密封原理

   在液壓轉動、氣動元件與系統中,往復動密封是一種最常見的密封要求。動力缸活塞與缸體、活塞干預缸蓋以及各類滑閥上都用到往復運動密封。縫隙由圓柱桿與圓柱孔形成,桿在圓柱孔內軸向運動。密封作用限制流體的軸向泄漏。用作往復運動密封時,O 形圈的預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,而具有磨損后自動補償的能力。但由于液體介質密封時,由于桿運動速度、液體的壓力、粘度的作用,情況比靜密封復雜。

   當液體在壓力作用下,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強固的邊 界層油膜,并且對滑移面產生極大的附著力。該液體薄膜始終存在于密封件與往 復運動面之間,它亦起一定的密封作用,并且對運動密封面的潤滑是非常重要的。 但是對泄漏來講是有害的。但往復運動的軸向外拖出時,軸上的液體薄膜便與軸 一起拉出,由于密封件的“擦拭”作用,當往復運動的軸縮回時,該液體薄膜便 被密封元件阻留在外面。隨著往復運動行程次數增多,阻留在外面的液體就越多, 最后形成油滴,這就是往復運動式密封裝置的泄漏。由于液壓油的粘度隨著溫度 的升高而降低,油膜厚度相應減小,所以液壓設備在低溫下啟動時,運動開始時 的泄漏較大,隨著運動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。

   O形圈作為往復式密封,結構緊湊、尺寸小,可以降低元件價格。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)氣動滑閥和氣動缸中。

 4)作為組合式往復動密封裝置中的彈性體。

   O形圈作為往復動密封最適合小直徑、短行程、中低壓力的應用場合,氣動 缸、氣動滑閥等往復運動元件中。在液壓元件中,用O 形圈作主要動密封,一 般限于短行程和10MPa 左右的中低壓力。O 形圈不適合用作速度非常低的往復 動密封和單獨作為高壓往復動密封。這主要是因為在這種條件下摩擦較大,會導 致密封過早失效。在任何型式應用中,都要根據密封件的額定數據或能力來使用, 并且要裝配得當,才能得到滿意的性能。

      3、旋轉運動用密封

   在旋轉運動密封中,通常采用油封和機械密封。但是油封的使用壓力較低,而且與O 形圈相比,顯得過大和復雜,工藝性也差?;得芊饉淙豢捎糜詬哐梗?0MPa)、高速(50m/s)及高溫(400℃),但是結構更加復雜、龐大,而且 成本高,只適用于石油、化工等作用的一些重型機械設備上。

   O形圈用于旋轉運動存在的主要問題是焦耳熱效應。焦耳熱效應使高速的旋 轉軸與O 形圈的接觸處產生磨擦熱,生成的熱量使這些接觸部位的溫度不斷上 升,橡膠材料受熱嚴重變形,壓縮量與伸長量發生變化的現象。發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,由此引起斷油現象,加速密封的磨損。

   基于上述情況,近年來國內外旋轉運動用O 形圈進行了廣泛深入的研究。 為了避免出現焦耳熱效應,關鍵在于根據橡膠的性能來正確地選擇設計O 形圈 的結構參數,主要是O 形圈的拉伸量和壓縮率。根據實驗,將旋轉運動用O 形 圈設計成內徑與旋轉軸直徑相等或稍大些,一般大3%~5%,在安裝O 形圈時, 從內徑向里壓縮,并將斷面的壓縮量也設計得小一些,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,可應用于最高轉速達4m/s 的旋轉軸的密封。

   近年來又出現了耐熱氟橡膠和耐磨聚氨酯橡膠,并且對橡膠元件工作的焦耳 熱效應有了更深入的了解,并針對此問題研究解決方案,設計出了新的O 形圈 密封結構,使O 形圈能夠更好的應用與高速、高壓的旋轉運動。

   O形密封圈由于其具有體積小,結構簡單、成本低、工藝性能好、適用范圍 廣泛等特點,正廣泛地在旋轉運動式密封裝置中推廣。



                                                                         編輯整理:CYanYun
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