型圈基础知识演示文稿课件

O型圈及其材质的基础知识 一 O型圈的基础知识 二 O型圈相关材质的介绍 一 概述 1 1O型圈特点O型圈是一种小截面的圆环形密封元件 常用截面是圆形 主要材料为合成橡胶 广泛用于多种机械设备中 在一定温度 压力及不同的液体或气体介质中起到密封作用 主要做静密封及滑动密封用 O型圈的基础知识 1 1 1与其他密封件比有如下特点 1 密封性好 寿命长 2 单圈就可对两个方向起密封作用 3 对油液 温度和压力的适应性好 4 动摩擦阻力小 5 体积小 重量轻 成本低 6 密封部位结构简单 拆装方便7 既可做静密封也可做动密封 8 尺寸和沟槽已被标准化 选用和外购方便 1 起动时的摩擦阻力大 2 用作气动装置的密封时 必须加润滑油 防止磨损 3 对偶合配件 如运动面 沟槽 间隙等的加工尺寸及精度要求很严 1 1 2与其它密封圈相比 也存在下列三个问题 1 2 1国标表示方法 1 GB T3452 1 1982的表示方法内径d1 线径d2比如 O型圈20 2 4GB3452 1 8220代表O型圈内径为20mm 2 4代表O型圈的截面直径是2 4mm GB3452 1代表的是标准号 82代表的是标准公布年代 1 2表示方法 1 2 1国标表示方法 2GB T3452 1 2005的表示方法比如 1 O型圈7 5 1 8GGB T3452 1 7 5 内径1 8 断面直径G 系列 G 通用O型圈 A 宇航用O型圈 2 A0 0 7 5 GGB T3452 1A O型圈线径1 80mmB O型圈线径2 65mmC O型圈线径3 55mmD O型圈线径5 30mmE O型圈线径7 30mm 1 2 2日标表示方法 定义及标识 该标准主要用语的定义及标识除按照JISB0142之外 按照下列规定 O型圈的内径 d1 参照右图 O型圈的粗细 d2 参照右图 按用途区分的种类 2 种类 按材料区分的种类 1 3O型圈的尺寸及公差 以日标的尺寸及公差为例 因为O型密封圈是安装在各种沟槽中使用 现将安装沟槽情况列于表4 1 3 二 O型圈密封工作状态 2 2静密封用O型圈的作用O型密封圈是一种挤压型密封 挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形 在密封接触面上造成接触压力 接触压力大于被密封介质的内压 则不发生泄漏 反之则发生泄漏 像这种借介质本身来改变O型圈接触状态使之实现密封的过程 称为 自封作用 O型圈预密封 2 1静密封用O型圈的作用 自密封作用 由于预密封作用 O型圈与被密封光滑面和沟槽底面紧密接触 这样当流体通过间隙进入沟槽时只能对O型圈的一侧面起作用 当流体压力较大时 把O型圈推向沟槽另一侧面而挤压成D形 并把压力传递给接触面 O型圈的自封是有限的 当内压过高时 会出现O型圈的 胶料挤出 现象 即密封部位因有间隙存在 受高压作用的O型圈在间隙处会产生应力集中 当应力达到O型圈的料胶不能承受时 料胶就会被挤出来 此时虽然O形圈还能暂时维持密封 但实际已损坏 因此要严格选型 2 2动密封用O型圈的作用 O型圈在动密封中 其预密封效果和自密封作用与静密封一样 但由于轴运动时很容易将流体带到O型圈和轴之间 因此情况比较复杂 工作中 假设O型圈左侧作用着介质压力P1 如图a 若将O型圈与轴接触部位放大 图b 其接触表面实际是凹凸不平的 并非每一点都与金属表面接触 由于自封作用 O型圈对轴产生的接触压力大于P1而得到密封 但当轴开始向右移动时附着在杆上的介质被带到楔形狭缝 图c 由于流体动压效应这部分介质的压力比P1大 当它大于O型圈对轴的接触力时 介质便挤入O型圈的第一个凹槽处 图d 轴继续向右移动时介质不断地进入下一个凹槽 介质便沿着轴运动的方向泄露 当轴向左运动时 由于轴运动方向与轴压力方向相反 故不易泄露 泄漏量是随着介质的粘度和轴的运动速度提高而增大的 还与O型圈的尺寸 工作压力等密切相关 back 2 3O型圈的密封形式 1 按密封件与被密封装置的相对运动状态可以分为 静密封 往复动密封 转动密封和开关密封 2 按O型圈在矩形沟槽中压缩密封配合的压缩量大小 松紧程度 可分为 压紧 套紧 液动 气动和转动5种基本密封配合 以及在端面倒角槽中挤紧密封配合 此外还有滑动密封和浮动密封两种特殊密封方法 3 按被密封件的结构可分为 端面密封即轴向密封 角密封 孔端面倒角槽密封 轴端面倒角槽密封 圆柱密封即径向密封 圆柱内径密封 活塞杆密封 圆柱外径密封 活塞密封 圆锥面密封和球面密封 三 O型圈的设计应用 3 1O型圈的使用参数3 1 1压缩率压缩率W通常用下式表示 W d2 h d2 100 式中d2 O型圈在自由状态下的截面直径 mm h O型圈槽底与被密封表面的距离 沟槽深度 即O型圈压缩后的截面高度 mm 在选取O型圈的压缩率时 应从如下3方面考虑 1 要有足够的密封接触面积 2 摩擦力尽量小 3 尽量避免永久变形 3 1 1压缩率 O型密封圈压缩率W的选择应考虑使用条件 静密封或动密封 静密封又可分为径向密封与轴向密封 径向密封的泄漏间隙是径向间隙 轴向密封的泄漏间隙是轴向间隙 轴向密封根据压力介质作用于O型圈的内径还是外径又分受内压和受外压两种情况 内压增加的拉伸 外压降低O型圈的初始拉伸 上述不同形式的静密封 密封介质对O型圈的作用方向是不同的 所以预压力设计也不同 对于动密封则要区分是往复运动密封还是旋转运动密封 1 静密封 圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样 一般取W 10 15 平面静密封装置取W 15 30 2 对于动密封而言 可以分为三种情况 往复运动一般取W 10 15 旋转运动密封在选取压缩率时必须要考虑焦耳热效应 一般来说 旋转运动用O形圈的内径要比轴径大3 5 外径的压缩率W 3 8 低摩擦运动用O型圈 为了减少摩擦阻力 一般均选取较小的压缩率 即W 5 8 此外 还要考虑到介质和温度引起的橡胶材料膨胀 通常在给定的压缩变形之外 允许的最大膨胀率为15 超过这一范围说明材料选用不合适 应改用其他材料的O形圈 或对给定的压缩变形率予以修正 3 1 2拉伸量 O型圈在装入密封沟槽后 一般都有一定的拉伸量 与压缩率一样 拉伸量的大小对O型圈的密封性能和和使用寿命也有很大的影响 拉伸量大不但会导致O型圈安装困难 同时也会因截面直径d2发生变化而使压缩率降低 以致引起泄漏 拉伸量a可用下式表示 d d2 d1 d2 式中d 轴径 mm d1 O型圈内径 mm 拉伸量的取值范围为1 5 如表一给出了O型圈拉伸量的推荐值 可根据轴径的大小 按表选限取O型圈的拉伸量 表一O型圈压缩率与拉伸量的限取范围 3 2O型圈的安装沟槽 O型圈压缩量的大小主要由安装沟槽的结构和尺寸来保证 常用的沟槽形状有矩形和三角形 一般情况三角形仅用于某些固定密封 由于压缩量不同所以静密封 往复运动密封 选装运动密封的沟槽虽形状相似 但尺寸各不相同 3 2 1槽宽槽宽主要从下面三个方面考虑 1 必须大于O型圈压缩变形后的最大直径 2 必须考虑到O型圈由于运动发热引起的膨胀和介质溶胀 3 必须保证往复运动时槽内有一定的空间使O型圈滚动自如 一般认为 O型圈的截面面积至少应占据矩形截面面积的85 在许多场合下取槽宽为O型圈截面直径的1 5倍 注 沟槽太窄会增大运动时的摩擦阻力 O型圈磨损加大 易损 沟槽太宽使得O型圈的游动范围增大 也易磨损 且在静密封的脉动压力下 O型圈也可能产生脉动游动出现异常磨损 另外 当内压很高时必须用挡圈 槽宽应相应增大 3 2O型圈的安装沟槽 3 2 2槽深槽深是O型圈能否良好工作的关键尺寸 主要取决O型圈的压缩变形量 此变形量由O型圈内径处的压缩变形量 1 和O型圈外径处的压缩变形量 2 组成 当 1 2时 O型圈截面与槽截面中心重合 两种圆的圆周相等 说明O型圈安装时未受到拉伸 当 1 2时 O型圈截面中心的周长小于沟槽中心的周长 说明O型圈以拉伸状态在沟槽内 当 1 2时 O型圈截面周长大于沟槽截面中心周长 此时O型圈以周向压缩来使用 拆卸时 O型圈会出现弹跳现象 设计槽深时应首先确定O型圈的使用方式 然后再去选定合理的压缩变形率 详见表一 除此之外 也要考虑材料对介质的溶胀性 材料本身的膨胀性等相关因素 需考虑诸多设计因素 但国家对于沟槽的结构已经给出相关标准 3 2O型圈的安装沟槽 3 2 3沟槽的选择设计1 沟槽的安装形式 a径向活塞密封沟槽 b径向活塞杆密封沟槽 3 2 3沟槽的选择设计 1 沟槽的安装形式 c径向带挡圈的沟槽 d轴向沟槽 说明 1 一般情况 为防止O型圈被挤入间隙而损坏 当液体工作压力超过10MPa时 应加密封挡圈 如图c 挡圈多少视O型圈受压情况而定 2 轴向密封外部受压时注意加直径d8处凸台 以防止O型圈进入管路 表二O型圈径向沟槽尺寸 3 2 3沟槽的选择设计 1 沟槽的安装形式O型圈的沟槽尺寸系列 中国已制定有标准 详见表三 表三密封用沟槽尺寸及压缩量 3 2 3沟槽的选择设计 3 O型圈沟槽加工要求为避免划伤和安装不当等问题造成的泄露 O型圈在安装时对沟槽及相关部件的精度都有一定要求 首先 安装时通过的尖角需倒钝或修圆 通过的内孔应倒10 20 坡口 其次 注意O型圈安装路径上的表面精度 轴须有较低的粗糙度值 必要时需涂以润滑剂 对于安装沟槽及配合表面精度的要求详见表四 表四O形橡胶密封沟槽各配合偶件的表面光洁度 3 3O型圈的材料选用 O型圈材料选择主要考虑以下几点 1 O型圈的工作状态 是指O型圈用于静密封 动密封还是滑动密封 2 机器的工作状态 指机器处于连续工作还是断续工作 并考虑到每次断续时间的长短 是否有冲击载荷作用在密封部位 3 工作介质的情况 工作介质是气体还是液体 并考虑其物理和化学性能 4 工作压力 压力大小 波动幅度和频率以及瞬时出现的最大压力等 5 工作温度 包括瞬时出现的温度以及冷热交替出现的温度 6 价格与来源 一般来说耐油用丁腈橡胶 耐气候和臭氧用氯丁橡胶 耐热用丙烯酸酯橡胶或氟橡胶 耐高压 耐磨用聚氨酯橡胶 耐寒同时又耐油用共聚氯醇橡胶等 2 O型圈相关材质的介绍 橡胶 1493年 伟大的西班牙探险家哥伦布率队初次踏上南美大陆 在这里 西班牙人看到印第安人小孩和青年在玩一种游戏 唱着歌互相抛掷一种小球 这种小球落地后能反弹得很高 如捏在手里则会感到有粘性 并有一股烟熏味 西班牙人还看到 印第安人把一些白色浓稠的液体涂在衣服上 雨天穿这种衣服不透雨 还把这种白色浓稠的液体涂抹在脚上 雨天水也不会弄湿脚 由此 西班牙人初步了解到了橡胶的弹性和防水性 但并没有真正了解到橡胶的来源 来源 橡胶的发展 1736年 法国科学家康达敏从秘鲁带回有关橡胶树的详细资料 出版了 南美洲内地旅行记略 书中详述了橡胶树的产地 采集乳胶的方法和橡胶的利用情况 引起了人们的重视 1763年 法国人麦加发明了能够软化橡胶的溶剂 1770年 英国化学家普立斯特勒发现橡胶能擦去铅笔字迹 1823年 英人马金托什 像印第安人一样把白色浓稠的橡胶液体涂抹在布上 制成防雨布 并缝制了 马金托什 防水斗蓬 这也可能就是世界上最早的雨衣吧 1852年 美国化学家古特义在做试验时 无意之中把盛橡胶和硫磺的罐子丢在炉火上 橡胶和硫磺受热后流淌在一起 形成了块状胶皮 从而发明了橡胶硫化法 古特义的这一偶然行为 是橡胶制造业的一项重大发明 扫除了橡胶应用上的一大障碍 使橡胶从此成为了一种正式的工业原料 从而也使与橡胶相关的许多行业蓬勃发展成为了可能 随后 古特义又用硫化橡胶制成了世界上的第一双橡胶防水鞋 1888年 英国人邓禄变发明汽胎 1895年开始生产汽车 汽车工业的兴起 更激起了对橡胶的巨大需求 胶价随之猛涨 2003年 全世界天然橡胶产量为753 57万吨 位居世界橡胶生产大国前五位的分别是泰国 印度尼西亚 印度 马来西亚 中国 五国橡胶总产量为629 25万吨 占全球橡胶总产量的83 5 发展应用 橡胶的介绍 橡胶 Rubber 具有可逆形变的高弹性聚合物材料 在室温下富有弹性 在很小的外力作用下能产生较大形变 除去外力后能恢复原状 橡胶属于完全无定型聚合物 它的玻璃化转变温度 Tg 低 分子量往往很大 大于几十万 橡胶为高弹性聚合物 其分子结构为链状 分子链具有较高的柔性 橡胶的分子链可以交联 硫化 交联后的材料 受外力作用发生形变时 具有迅速复原的能力 并具有良好的物理机械性能及化学稳定性 橡胶只有经过交联才能成为有使用价值的高弹性材料 俗称橡皮 橡胶是橡胶工业的基础原料 广泛用于制造轮胎 胶管 胶带 电缆及其他各种橡胶制品 它与金属 化学纤维 塑料等同为重要的材料 橡胶的特性 突出的高弹性 表现为有很高的伸长率 纯天然胶可拉伸到原长的800 而不断 较小的弹性模量 在延伸100 时所产生的应力仅为数百牛顿每平方厘米 在拉断后保持较小的永久变形 即在反复受力后不能复原的积累量也极微 良好的耐磨性 高的摩擦系数和耐酸碱腐蚀性 有些品种如丁腈胶 氟橡胶等还耐油 此外 橡胶还具有电绝缘 消振和气密等特性 缺点是导热差 不耐热及不易机械加工等 橡胶的分类 橡胶按原料分天然橡胶和合成橡胶两类 按性能又可分为通用型及特种型 通用橡胶系指综合性能较好 应用面广的品种 包括天然橡胶 异戊橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶等 特种橡胶系指具有某些特殊性能的橡胶 包括氯丁橡胶 丁腈橡胶 硅橡胶 氟橡胶 聚氨酯橡胶 聚硫橡胶 氯醇橡胶 丙烯酸酯橡胶等 按橡胶的形态 除通常的块状生胶外 还有胶乳 液体橡胶和粉末橡胶 胶乳为橡胶的胶体状水分散体 液体橡胶为橡胶的低聚物 未硫化前 一般为粘稠的液体 粉末橡胶系将胶乳加工成粉末状 以利配料和加工 另外 20世纪60年代开发的热塑性橡胶 是一类具有热塑性的弹性体 它是不需经化学硫化 采用热塑性塑料的加工方法成型为制品的合成橡胶 橡胶的合成 制作橡胶的主要原料是天然橡胶 天然橡胶主要来源于三叶橡胶树 当这种橡胶树的表皮被割开时 就会流出乳白色的汁液 称为胶乳 胶乳经凝聚 洗涤 成型 干燥即得天然橡胶 合成橡胶是由人工合成方法而制得的 采用不同的原料 单体 可以合成出不同种类的橡胶 通用橡胶是指部分或全部代替天然橡胶使用的胶种 如丁苯橡胶 顺丁橡胶 异戊橡胶等 主要用于制造轮胎和一般工业橡胶制品 通用橡胶的需求量大 是合成橡胶的主要品种 橡胶 老化因素 氧 氧在橡胶中同橡胶分子发生游离基链锁反应 分子链发生断裂或过度交联 引起橡胶性能的改变 氧化作用是橡胶老化的重要原因之一 臭氧 臭氧的化学活性比氧高得多 破坏性更大 它同样是使分子链发生断裂 但臭氧对橡胶的作用情况随橡胶变形与否而不同 当作用于变形的橡胶 主要是不饱和橡胶 时 出现与应力作用方向直的裂纹 即所谓 臭氧龟裂 作用于变形的橡胶时 仅表面生成氧化膜而不龟裂 热 提高温度可引起橡胶的热裂解或热交联 但热的基本作用还是活化作用 提高氧扩散速度和活化氧化反应 从而加速橡胶氧化反应速度 这是普遍存在的一种老化现象 热氧老化 光 光波越短 能量越大 对橡胶起破坏作用的是能量较高的紫外线 紫外线除了能直接引起橡胶分子链的断裂和交联外 橡胶因吸收光能而产生游离基 引发并加速氧化链反应过程 经外线光起着加热的作用 光作用其所长另一特点 与热作用不同 是它主要在橡表面进生 含胶率高的试样 两面会出现网状裂纹 即所谓 光外层裂 机械应力 在机械应力反复作用下 会使橡胶分子链断裂生成游离荃 引发氧化链反应 形成力化学过程 机械断裂分子链和机械活化氧化过程 哪能个占优势 视其所处的条件而定 此外 在应力作用下容易引起臭氧龟裂 水分 水分的作用有两个方面 橡胶在潮湿空气淋雨或浸泡在水中时 容易破坏 这是由于橡胶中的水溶性物质和亲水基团等成分被水抽提溶解 水解或吸收等原因引起的 特别是在水浸泡和大气曝露的交替作用下 会加速橡胶的破坏 但在某种情况下水分对橡胶则不起破坏作用 甚至有延缓老化的作用 油类 在使用过程如果和油类介质长期接触 油类能渗透到橡胶内部使其产生溶胀 致使橡胶的强度和其他力学性能降低 油类能使橡胶发生溶胀 是因为油类渗入橡胶后 产生了分子相互扩散 使硫化胶的网状结构发生变化 其它 对橡胶的作用因素还有化学介质 变价金属离子 高能辐射 电和生物等 个别橡胶性能介绍 NR天然橡胶 NaturalRubber 由橡胶树采集胶乳制成 是异戊二烯的聚合物 具有很好的耐磨性 很高的弹性 扯断强度及伸长率 在空气中易老化 遇热变粘 在矿物油或汽油中易膨胀和溶解 耐碱但不耐强酸 优点 弹性好 耐酸碱 缺点 不耐候 不耐油 可耐植物油 是制作胶带 胶管 胶鞋的原料 并适用于制作减震零件 在汽车刹车油 乙醇等带氢氧根的液体中使用的制品 SBR丁苯橡胶 StyreneButadieneCopolyme 丁二烯与苯乙烯之共聚合物 与天然胶比较 品质均匀 异物少 具有更好耐磨性及耐老化性 但机械强度则较弱 可与天然胶掺合使用 优点 低成本的非抗油性材质 良好的抗水性 硬度70以下具良好弹力 高硬度时具较差的压缩性 缺点 不建议使用强酸 臭氧 油类 油酯和脂肪及大部份的碳氢化合物之中 广泛用于轮胎业 鞋业 布业及输送带行业等 IIR丁基橡胶 气密性特別好 耐热 耐阳光 耐臭氧性佳 绝缘性能好 对极性溶剂如醇 酮 酯等有很好的抵抗能力 可暴露于动植物油或可氧化物中 适合于耐化学药品或真空设备 不建议与石油溶剂 煤油或芳烃同时使用 一般使用温度范围为 50 110 NBR丁氰橡胶 适合于石油系液压油 甘醇系液压油 二酯系润滑油 汽油 水 硅润滑脂 硅油等介质中使用 是目前用途最广 成本最低的橡胶密封件 不适用于极性溶剂之中 例如酮类 臭氧 硝基烃 MEK和氯仿 一般使用温度范围为 40 120 HNBR氢化丁氰橡胶 具有极佳的抗腐蚀 抗撕裂和抗压缩变形特性 耐臭氧 耐阳光 耐天候性较好 比丁氰橡胶有更佳的抗磨性 适用于洗涤机械 汽车发动机系统及使用新型环保冷媒R134a的制冷系統中 不建议使用于醇类 酯类或是芳香族的溶液中 一般使用温度范围为 40 150 EPDM EPM EPT三元乙丙橡胶 具有很好的耐候性 耐臭氧性 耐水性及耐化学性 可用于醇类及酮类 还可用于高温水蒸气环境之密封 适用于卫浴设备 汽车散热器及汽车刹车系统中 不建议用于食品用途或是暴露于矿物油之中 一般使用温度范围为 55 150 CR氯丁橡胶 耐阳光 耐天候性能特別好 不怕二氯二氟甲烷和氨等制冷剂 耐稀酸 耐硅脂系润滑油 但在苯胺点低的矿物油中膨胀量大 在低温时易结晶 硬化 适用于各种接触大气 阳光 臭氧的环境及各种耐燃 耐化学腐蚀的密封环节 不建议使用于强酸 硝基烃 酯类 氯仿及酮类的化学物之中 一般使用温度范围为 55 120