O形橡胶密封圈的选择与设计.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第3期 总第131期 现 代 车 用 动 力 No13 serialNo1 131 2008年8月 MODERN VEH ICLE POWER Aug12008 文章编号 1671 5446 2008 03 0046 03 O形橡胶密封圈的选择与设计 3 冯利军 臧彦斌 无锡威孚高科技股份有限公司 江苏 无锡 214031 摘要 本文主要介绍了O形橡胶密封圈的选用标准 材料选择 沟槽设计等内容 并对个例进行了具体分析 认为 O形橡 胶密封圈的选择应尽量选用国家标准中所列的规格尺寸 避免设计非标和异形的O形密封圈 即要考虑安装和使用的实 际情况 同时沟槽的加工还要重点考虑粗糙度和同轴度等质量指标的要求 关键词 O形圈 材料 沟槽设计 新工艺 中图分类号 TK42115 文献标识码 B 引 言 随着柴油机技术的日趋完善 用户的使用要 求也是越来越高 这不仅体现在对柴油机性能的 要求上 对外观 环保的要求也日益提高 柴油机 漏油问题既影响了外观又污染了环境 在提倡节 约型社会 环保型社会的今天 防漏成了一个摆在 设计人员面前的新课题 一般机械零件的密封有 胶密封 O形橡胶圈密封和垫片密封 本文针对O 形圈展开论述 1 O形橡胶密封圈的选用标准 O形圈是密封中最常用的一种密封件 但由 于选用 沟槽设计 加工和装配上的不当 常常造 成漏油故障 可谓是小件坏大事 国家标准中关 于O形圈规格尺寸的标准有GB T 345211 2005 液压气动用O形橡胶密封圈 第一部分 尺寸系 列及公差 新国标 它规定的O形圈截面直径 又称线径 有 118 mm 2165 mm 3155mm 513mm等规格 新国标采用国际惯例 O形圈采 用 内径 线径 的标记方法 见图 1 但是有的 公司在老产品上还延用了GB 1235 1976 O形橡 胶密封圈尺寸系列 老国标 它规定的O形圈截 面 直 径 有 119 mm 214 mm 311mm 315mm 517mm等 O形圈采用 外径 线径 的标记方法 图1 O型密封圈的标记方法 在选用O形圈规格尺寸时 首先应尽量选用 新国标 线径 2165 mm和 3155 mm的使用最 为普遍 在外径大于 30mm左右 结构尺寸允许 的情况下 尽量选用线径 3155mm的O形圈 以 达到更大的压缩量和接触面积 2 O形橡胶密封圈的材料选择 O形圈材料的选择需要考虑使用的环境 主 3收稿日期 2008 03 15 作者简介 冯利军 1980 男 江苏无锡人 助理工程师 目前主要从事油泵油嘴产品设计 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 要有耐油性 耐高温 耐低温 耐磨损 耐腐蚀等因 素 而在柴油机中常用的耐油橡胶主要有丁腈橡 胶 NBR 和氟橡胶 FPM 丁腈橡胶耐汽油及 脂肪烃油类的性能特别好 其耐热性 气密性 耐 磨损性及耐水性等均较好 粘接力强 缺点是耐寒 性及耐臭氧性较差 弹性较低 耐酸性差 电绝缘 性不好 耐极性溶剂性能也较差 推荐使用的工作 温度为51 121 相比较之下氟橡胶更适用 于高温工况 耐高温可达300 不怕酸碱 耐油 性是耐油橡胶中最好的 抗辐射及高真空性优良 其他如电绝缘性 机械性能 耐化学药品腐蚀 耐 臭氧 耐大气老化作用等都很好 是性能全面的特 种合成橡胶 缺点是加工性差 价格昂贵 耐寒性 差 弹性和透气性较低 推荐工作温度 20 232 近阶段 柴油机厂还提出了耐低温的特 殊要求 40 从而延伸出了氢化丁腈橡胶这 种新型材料 除材料之外 O形橡胶密封圈很重要的一个 指标是它的硬度 一般采用邵氏硬度来表示 从 60到90左右不等 数值越大表示硬度越高 在 同样压力下 硬度越高 防挤出 变形甚至撕裂 的能力就越强 因此 应选用硬度较高的O形 圈 然而 市场上常见的O形圈均为丁腈橡胶制 成 邵氏硬度一般在70左右 难以满足相当一部 分工况的要求 3 O形橡胶密封圈的特殊处理 随着工艺技术的不断发展和进步 新的工艺 O形圈得到应用 例如特氟隆涂层 特氟隆高性能特种涂料是以聚四氟乙稀 Polyterafluoroethylene 缩写 PTFE 为基体树脂的 氟涂料 英文名称为Teflon 特氟隆是一种独一 无二的高性能涂料 结合了耐热性 最高使用温 度290 300 化学惰性和优异的绝缘稳定性及 低摩擦性 具有其他涂料无法抗衡的综合优势 它 应用的灵活性使得它能用于几乎所有形状和大小 的产品上 经过特氟隆涂装后的O形圈具有不粘 耐 热 滑动性好 抗湿 耐磨损性好 耐腐蚀的特性 一般有特殊使用要求 才会采用O形圈涂特 氟隆工艺 例如 德 国BOSCH的 高 压 共 轨 泵 CPN212就使用了这种O形圈 4 O形橡胶密封圈的设计 O形圈的沟槽设计有相关的国家标准 主要 分动密封 轴向静密封和径向静密封3种 法兰 箱盖等的O形圈采用轴向压紧更便于装配和保 证密封性能 另外 中国国家标准中的沟槽尺寸 标准已显落后 如国家标准中受内压的O形圈沟 槽外径等于O形圈外径 而美国派克 PARKER 法兰接头的O形圈沟槽外径小于O形圈外径 设计时应适当参考国外标准 下面是对无锡威孚公司在喷油泵设计中的具 体案例进行的分析 参考的国家标准是GB T 345213 2005 液压气动用O形橡胶密封圈 沟 槽尺寸 图2是无锡威孚公司生产的PL泵调速器盖 与增压补偿器的连接示意图 结构是螺栓连接 O 形圈密封 图中b为沟槽宽度 d3为沟槽槽底直 径 D4为安装孔直径 有用户反馈该处有漏油现 象 而公司产品出厂前都经过密封性能测试 失效 件分析也无O形圈切边 所以可以初步断定该处 为渗油 通过改善O形圈与沟槽的配合尺寸可以 消除渗油现象 图2 PL泵调速器盖与增压补偿器连接示意图 PL泵调速器盖与增压补偿器连接处的密封 结构可按标准中活塞密封结构计算 静密封 该 处使用的O形圈尺寸为 2615 mm 2165 mm 符合国家标准 74 2008年第3期 冯利军 等 O形橡胶密封圈的选择与设计 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved d3 2716 01075 mm D4 32H9 01062 0 b 3 mm a1经查标准 O形圈内径 d1 2615 0122 mm 截面直径 d2 2165 0109mm 1 沟槽深度 t D 4 d3 2 211625 212685 mm b1预拉伸率 最小预拉伸率 ymin d3min d1max d1max 100 3101 最大预拉伸率 ymax d3max d1min d1min 100 5131 查表所知 ymax不得大于6 2 c1压缩率 最大压缩率 xmax 1 tmin d2max 100 21108 最小压缩率 xmin 1 tmax d2min 100 11139 查表所知 xmax应为2613 xmin应为1412 可见计算所得压缩率略小于标准 2 d1O形圈拉伸时截面直径最大减小量 2 max d2min 10 6 d3max d1min d1min 0 1144mm 此式为经验公式 当预拉伸率在10 以下时 截 面直径减小量的计算值比实际值要略大一些 e1沟槽宽度b 2 Vo 214674 d1max d2max d 2 2max 5451725 mm 3 Vr3 1135d3maxr 2 1max 23191 mm 3 式中 Vo为O形圈理论最大体积 Vr3为活塞密封 时因沟槽圆角半径而减少的沟槽体积 近似值 考虑到O形圈材料体积会因溶剂油而产生变 化 故设定溶胀值为15 由此根据经验公式得出 沟槽宽度 实际加工宽度一般要大于该设计值 b 1115Vo Vr3 0 17854 D 2 4min d 2 3max 31214 mm 而图纸要求沟槽宽度b 3 mm 为自由公差 综上所述 原设计的压缩率 沟槽宽度均不符 合国家标准的规定 所以需要做相应的更改 考虑 到O形圈为标准件 故不作更改 而增压补偿器 体为机加工件 更改较容易 最后经过计算d3改 成了 2718 0 011mm b改成了312 012 0 mm 有兴趣 的读者可以进行验算 5 结论分析 O形橡胶密封圈的选择应尽量选用国家标准 中所列的规格尺寸 避免设计非标和异形的O形 圈 以方便售后服务和配件购买 在材料选择方 面 丁腈橡胶基本能够胜任现在的柴油机使用环 境 而有些柴油机厂则要求使用氟橡胶 这是因为 氟橡胶能耐更高的温度 并且在耐老化方面要优 于丁腈橡胶 但是价格却要比丁腈橡胶贵5 6倍 所以设计时在成本和性能方面要取个平衡点 在 沟槽设计方面 要尽量参考国家标准 压缩率过小 容易漏油 压缩率过大装配时容易切边 所以要综 合考虑安装和使用的实际情况 同时沟槽的加工 也要重点考虑粗糙度和同轴度等问题 另外 O 形圈的外观质量也要符合要求