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1 密封基础知识 1 2 目录 第一章密封的概述及分类第二章密封圈的材料及选择第三章O型密封圈的概述及原理第四章O型密封圈的设计第五章O型密封圈保管 安装以及失效处理 2 3 密封的概述及分类 密封的概述密封的作用 1 防止内部泄漏2 防止外部杂质侵入内部3 吸收冲击能4 消音 隔热 绝缘 密封就是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件而采取的措施 同时也能使机械设备在长时间的扳动和冲击下保持良好的锁紧作用 中止和减少外界的能量传递 简而言之 密封就是为了将内外部隔离而采取的措施 3 4 密封的概述及分类 密封的分类按密封副的材料分为 硬密封 密封副的两侧均是金属材料或较硬的其他材料的被称为 硬密封 软密封 密封副的两侧一侧是金属材料 另一侧是有弹性的非金属材料的被称为 软密封 4 5 密封的概述及分类 密封的分类静密封 主要有垫密封 胶密封和直接接触密封三大类 根据工作压力 静密封又可分为中低压静密封和高压静密封 10MPa以上 中低压静密封常用材质较软 垫片较宽的垫密封 高压静密封则用材料较硬 接触宽度很窄的金属垫片 动密封 可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型 按密封件与其作相对运动的零部件是否接触 可以分为接触式密封和非接触式密封 接触式密封的密封性好 但受摩擦磨损以及发热的限制 只适用于密封面线速度较低的场合 非接触式密封的密封性较差 适用于较高速度的场合 非接触式密封 气膜 油膜 迷宫等 5 6 密封圈的材料及选择 密封材料的性能是保证有效密封的重要因素 选择密封材料 主要是根据密封元件的工作环境 使用温度 工作压力 所使用的工作介质以及运动方式等 对密封材料的基本要求如下 具有一定的力学性能 如拉伸强度 伸长率等 弹性和硬度适当 压缩永久变形小 耐高温和低温 高温下不分解 软化 低温下不硬化 与工作介质相适应 不产生溶胀 分解 硬化等 耐氧性和耐老化性好 经久耐用 耐磨损 耐腐蚀 易于成形加工 价格低廉 而密封材料通常是橡胶材料 少数也用复合材料制作密封元件 6 7 密封圈的材料及选择 注 有耐性 除特定场合外 有耐性 除特定场合外 无耐性 无耐性 常用橡胶密封材料所适应的介质和使用温度范围 7 8 密封圈的材料及选择 聚醚型聚氨脂 聚脂型聚氨脂 8 9 密封圈的材料及选择 9 10 密封圈的材料及选择 常用合成树脂密封材料 常用合成树脂中 使用最多的是聚四氟乙烯树脂 在聚四氟乙烯中掺入不同的充填材料 可改善和提高其综合物理化学性能 从而扩大了它的使用范围 因此 聚四氟乙烯树脂密封材料可适用石油基液压油 水 油乳化液 水 乙二醇基液压液 磷酸脂基液压液等工作介质的密封 常用合成树脂密封材料的主要特点和应用范围见表2 10 11 密封圈的材料及选择 表2常用合成树脂密封材料的主要特点和应用范围 11 12 密封圈的材料及选择 常用金属密封材料 金属密封材料主要用于静密封 表3常用金属密封材料的种类和应用范围 12 13 O型密封圈的概述及原理 O型密封圈通常指O型橡胶密封圈 因为橡胶的综合性能比较优越 因此一般都用橡胶密封圈 O型密封圈是一种截面为圆形的橡胶圈 因其截面为O型 故称其为O型密封圈 是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种 主要用于机械部件在静态条件下防止液体和气体介质的泄露 它主要用于静密封和往复运动密封 其使用速度范围一般为0 005 0 3m s 用于旋转运动密封时 仅限于低速回转密封装置 根据不同的条件 可分别选择不同的材料与之相适应 13 标准大部分国家对O形密封圈都制定系列产品标准 其中美国标准 AS568 日本标准 JISB2401 国际标准 ISO3601 1 较为通用 O型密封圈的概述及原理 14 O形密封圈与其他形式密封圈比较 具有以下优点 1 结构小巧 装拆方便 2 静 动密封均可使用 3 动摩擦阻力比较小 4 使用单件O形密封圈 可对两个方向起密封作用 5 价格低廉 但是 当设备闲置时间过久而再次起动时 O形密封圈的摩擦阻力会因其与密封副耦合面的粘附而陡增 并出现蠕动现象 O型密封圈的概述及原理 15 16 O型密封圈的概述及原理 O形密封圈装入密封槽后 其界面承受接触压缩应力而产生变形 当没有介质压力时 密封圈在自身的弹性力作用下 对接触面产生一个预接触应力p0 如图a所示 即使没有介质压力或者压力很小 O形密封圈靠自身的弹性力作用而也能实现密封 而当容腔内充入有压力的介质后 则在介质压力p的作用下 O形密封圈发生位移 移向低压侧 且其弹性变形进一步加大 填充和封闭了密封间隙 此时 作用于密封副偶合面的接触压力上升至pm 用于静密封时的密封原理 16 O型密封圈的概述及原理 Pm Po Pp式中从而大大增加了密封效果 如图b所示 由于一般K 1 所以Pm P 由此可见 只要O形密封圈存在初始压力 就能实现无泄漏的绝对密封 当容腔内的介质卸压后 p 0 则由于O形密封圈仍具有初装时的预接触应力p0 故仍能保证密封性能 此即所谓O形密封圈的自密封作用 Pp 经O形圈传给接触面的接触压力Pp K PK 压力传递系数 对于橡胶制O形密封圈K 1 P 被密封液体的压力 0 1MPa 17 用于往复运动密封时的密封原理 O形密封圈在往复运动滑移面上的接触情况 如图1所示 此时O形密封圈的动密封作用主要还是依靠其预压缩和加压后作用于耦合面上的接触应力 且由于O形密封圈自身的弹性而具有磨损后自动补偿的能力 图1O形密封圈的动密封原理 O型密封圈的概述及原理 18 因此 O形密封圈不宜应用于滑移面需频繁往复运动的密封装置中 此外 还存在其他复杂情况 当用于液体介质密封时 由于液体的压力 粘度及运动速度等因素的作用 沿滑移面和密封件间形成一层粘附力极强的边界层液体膜 如图1a所示 这层液体薄膜始终存在着 它亦起一定的密封作用 当滑移面向外伸出时 液体膜随之一起探出 如图1b所示 当滑移面缩回时 液体膜则被密封件阻留于外侧 随着滑移面往复次数的增加 阻留于密封件外侧的液体膜日渐增厚 最后形成液滴 从滑移面滴下 见图1c 这就是O形密封圈用于往复运动密封时会产生泄漏的原因 O型密封圈的概述及原理 19 20 O型密封圈的概述及原理 由于液压油的粘度随着温度的升高而降低 油膜厚度相应减小 所以液压设备在低温下启动时 运动开始时的泄漏较大 随着运动过程中因各种损失引起温度升高 泄漏量有逐渐降低的趋势 O形圈作为往复式密封 结构紧凑 尺寸小 可以降低元件价格 主要用在 1 低压液压元件中 一般限于短行程和10MPa左右的中等压力 2 小直径 短行程以及中等压力的液压滑阀中 3 气动滑阀和气动缸中 4 作为组合式往复动密封装置中的弹性体 O形圈作为往复动密封最适合小直径 短行程 中低压力的应用场合 气动缸 气动滑阀等往复运动元件中 在液压元件中 用O形圈作主要动密封 一般限于短行程和10MPa左右的中低压力 O形圈不适合用作速度非常低的往复动密封和单独作为高压往复动密封 这主要是因为在这种条件下摩擦较大 会导致密封过早失效 在任何型式应用中 都要根据密封件的额定数据或能力来使用 并且要装配得当 才能得到满意的性能 20 O型密封圈的概述及原理 O型密封圈在旋转运动密封时的应用 在旋转运动密封中 通常采用油封和机械密封 但是油封的使用压力较低 而且与O形圈相比 显得过大和复杂 工艺性也差 机械密封虽然可用于高压 40MPa 高速 50m s 及高温 400 但是结构更加复杂 庞大 而且成本高 只适用于石油 化工等作用的一些重型机械设备上 O型圈用于旋转运动存在的主要问题是焦耳热效应 橡胶材料的焦耳热效应 是指处于拉伸状态的橡胶遇热产生收缩的现象 在安装O型圈时 为了使它在密封沟槽内不产生窜动 在用作往复运动密封时 不产生扭曲现象 一般使它处于某种程度的拉伸状态 但如果将这种安装方法用于旋转运动 就会产生不良的结果 本来已经紧箍在旋转轴上的O形密封圈 因旋转运动产生的摩擦热而收缩 进而使这种紧箍力增大 这样 产生摩擦热 收缩 紧箍力增大 产生摩擦热 如此反复循环 就大大地促进了橡胶的老化和磨损 21 O型密封圈的概述及原理 O型密封圈在旋转运动密封时的应用 为了避免出现焦耳热效应 关键在于根据橡胶的性能来正确地选择设计O形圈的结构参数 主要是O形圈的拉伸量和压缩率 根据实验 将旋转运动用O形圈设计成内径与旋转轴直径相等或稍大些 一般大3 5 在安装O形圈时 从内径向里压缩 并将断面的压缩量也设计得小一些 一般约为5 并且 尽量采用受热量影响小的密封材料 充分考虑O形圈安装处的散热问题 这样就使O形圈的工作情况大为改善 可应用于最高转速达4m s的旋转轴的密封 近年来又出现了耐热氟橡胶和耐磨聚氨酯橡胶 并且对橡胶元件工作的焦耳热效应有了更深入的了解 并针对此问题研究解决方案 设计出了新的O形圈密封结构 使O形圈能够更好的应用与高速 高压的旋转运动 O形密封圈由于其具有体积小 结构简单 成本低 工艺性能好 适用范围广泛等特点 正广泛地在旋转运动式密封装置中推广 22 O型密封圈的概述及原理 理论上 压缩变形即使为零 在油压力下也能密封 但实际上O形密封圈安装时可能会有偏心 工作载荷下 O型圈拉伸 变细 就可能泄漏 所以 O形圈装入密封沟槽后 其断面一般受到7 30 的压缩变形 低温时橡胶收缩 变细 可能泄漏 低温会造成橡胶加速老化 失去补偿能力 因此静密封取较大的压缩率值 动密封取较小的压缩率值 23 24 O型密封圈的设计 O形圈密封是典型的挤压型密封 O形圈截面直径的压缩率和拉伸是密封设计的主要内容 对密封性能和使用寿命有重要意义 O形圈一般安装在密封沟槽内起密封作用 O形密封圈良好的密封效果很大程度上取决于O形圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配 形成合理的密封圈压缩量与拉伸量 密封装置设计加工时 若使O形圈压缩量过小 就会引起泄漏 压缩量过大则会导致O形密封圈橡胶应力松弛而引起泄漏 同样 O形圈工作中拉伸过度 也会加速老化而引起泄漏 世界各国的标准对此都有较严格的规定 24 25 O型密封圈的设计 1 压缩率设计 W d0 h d0 100 式中d0 O形圈在自由状态下的截面直径 mm h O形圈槽底与被密封表面的距离 即O形圈压缩后的截面高度 mm a 有足够的密封接触面积b 避免永久变形c 摩擦力尽量小圆柱静密封 10 15 平面静密封 15 30 往复运动密封 10 15 旋转动密封 内径比轴大3 5 外径压缩率为3 8 低摩擦用密封 一般为5 8 考虑介质和温度引起的膨胀 如超过15 重新选材 从以上这些因素不难发现 它们相互之间存在着矛盾 压缩率大就可获得大的接触压力 但是过大的压缩率无疑会增大滑动摩擦力和永久变形 而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O形圈误差不符合要求 消失部分压缩量而引起泄漏 因此 在选择O形圈的压缩率时 要权衡个方面的因素 25 2 拉伸率设计 a d0 d d d1 1 O型圈装入轴中后 一般会有拉伸 如果无拉伸 装配时容易脱出 如拉伸过大 会导致O型圈截面积减少太多 出现泄漏 一般其拉伸量为1 5 O型密封圈的设计 26 3 接触宽度设计 O形圈装入密封沟槽后 其横截面产生压缩变形 变形后的宽度及其与密封面的接触宽度都和O形圈的密封性能 其值过小会使密封性受到影响 O形圈变形后的宽度Bo mm 与O形圈的压缩率W和截面直径do有关 可用下式计算Bo 1 1 W 0 6W do W取10 40 O形圈与密封面的接触面宽度b mm 也取决于W和do b 4W 2 0 34W 0 31 do W取10 40 有压力脉动时 槽宽过大会导致O型圈来回偏移 出现磨损 槽宽过小会导致O型圈填满沟槽 导致阻力过大 O型密封圈的设计 27 4 1O型圈沟槽设计 槽体积比O型圈体积大15 左右 设计参数 形状 尺寸 精度 粗糙度 对于动密封 需要计算相对运动间隙 原则 容易加工 尺寸合理 精度容易保证 拆装方便 O型密封圈的设计 28 4 2O型圈沟槽深度设计 槽深的设计决定O型圈的设计压缩量 沟槽深度加上间隙小于O型圈自由状态下的截面直径 O型圈的压缩量由内径压缩量 和外径压缩量 构成 O型圈安装时受拉伸 用于滑动密封 如活塞密封 O型密封圈的设计 29 4 4O型圈沟槽表面粗糙度设计 静密封 Ra 6 3 3 2 动密封 Ra 1 6 旋转密封 轴凹槽 Ra 0 4或更小 4 3O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计 槽口圆角 防止O型圈装配时出现割伤和刮伤 R 0 1 0 2mm过大会导致挤出 过小会导致割伤槽底圆角 防止出现应力集中 动 R 0 1 1 0mm 静 R d0 2mm O型密封圈的设计 30 31 O型密封圈的设计 4 5O型圈的挡圈 目的 防止O型圈在工作时出现间隙咬伤和挤出实效 使用 单向受压 一个挡圈 双向受压 两个挡圈 4 6O型圈沟槽型式和公差 详见GB T34523 31 32 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O形圈的保管O形圈属于易损件 因此需要对其进行妥善保管 O形圈保管的妥善与否 对其使用寿命有很大的影响 O形圈的保管应做到 1 避免放在阳光直射 潮湿以及空气流通的地方 因为这些都是加速O形圈材料老化的因素 存放O形圈的适宜温度为0 20 适宜的空气湿度为70 以上 2 O形圈的存放必须离开加热设备1m以外 而且不允许放在有酸 碱的室内 3 O形圈在存放时 不允许受压 以免引起压缩永久变形 4 存放O形圈的聚乙烯塑料袋 必须记载其制造和出厂日期 以便按先后次序使用 橡胶材料制O形圈的保管有效期一般为2 5年 32 33 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O形圈的安装O形圈的安装质量对其密封性和使用寿命均有重要的影响 泄漏问题往往是因为安装不良造成的 安装过程中不允许出现O形圈被划伤和位置安装不正 以及O形圈被扭曲等情况 装配前 密封沟槽 密封耦合面必须严格清洗 同时对O形圈装配中要通过的表面涂敷润滑脂 为了防止O形圈在安装时被尖角和螺纹等锐边切伤或划伤 应在安装的轴端和孔端留有15 30 的引入角 当O形圈需通过外螺纹时 应使用专用的薄壁金属导套 套住外螺纹 另外 要防止漏装或使用报废的O形圈 而且还要注意挡圈的安装方向 33 34 O型密封圈保管 安装以及失效处理 原因 工作介质的压力是引起O形圈永久变形的主要因素 现代液压设备的工作压力正日益提高 长时间的高压作用会使O形圈发生永久变形 因此 设计时应根据工作压力选用适当的耐压橡胶材料 工作压力越高 所用材料的硬度和耐高压性能也应越高 O形圈材料的压缩永久变形率也与温度有关 措施 为了改善O形圈材料的耐压性能 增加材料的弹性 特别是增加材料在低温下的弹性 降低材料的压缩永久变形 一般需要改进材料的配方 加入增塑剂 但是 具有增塑剂的O密封形圈 长时间在工作介质中浸泡 增塑剂会逐渐被工作介质吸收 导致O形密封圈体积收缩 甚至可能使O形密封圈产生负压缩 即在O形密封圈和被密封件的表面之间出现间隙 因此 在计算O形密封圈压缩量和进行模具设计时 应充分考虑到这些收缩量 应使压制出的O形密封圈在工作介质中浸泡5 10昼夜后仍能保持必要的尺寸 O形圈材料的压缩永久变形率与温度有关 当变形率在40 或更大时 即会出现泄漏 所以几种胶料的耐热性界限为 丁腈橡胶70 三元乙丙橡胶100 氟橡胶140 因此各国对O形圈的永久变形作了规定 压缩变形 34 35 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O型圈的磨损 原因 当密封的间隙具有相对运动时 工作环境中的灰尘和沙粒等被粘附在活塞杆表面 并随着活塞杆的往复运动与油膜一起被带入缸内 成为侵入O型密封圈表面的磨粒 加速O型圈的磨损 以致其失去密封性 同时 滑动表面的粗糙度过大以及滑动表面的材质 对O型圈的磨损也有影响 措施 1 在往复运动式密封装置的外伸轴端处使用防尘圈 2 降低滑动表面的粗糙度 一般来说 表面越光洁 摩擦与磨损就越小所以滑动表面的粗糙度值往往很低 Ra0 2 Ra0 05 但是实验表明 表面粗糙度过低又会给摩擦与磨损带来不利影响 这是因为微小的表面凹凸不平 可以保持必要的润滑油膜 因此要选择适当的表面要求 3 使用高硬度材料作为滑动表面的材质 液压缸活塞杆表面镀铬 35 36 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O型圈的爆破失效 失效状态 O型圈表面呈现气泡 凹坑 疤痕 压力很大时 材料吸收介质内的气体 当压力突然减小时 材料所吸收气体快速跑出 造成O型圈表皮爆破 原因 压力变化太快 材料的硬度和弹性过低 措施 1 选择硬度更高 弹性更好的材料 2 降低减压的速度 36 37 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O型圈的热损伤和氧化 原因 工作温度超出正常使用范围 使弹性体硬化 增塑剂蒸发 氧化 导致密封圈产生与作用压力方向垂直的小的表面裂口 从而出现了局部凹痕或开裂现象 措施 1 沟槽设计时考虑材料由于温度及化学介质引起的变形 2 密封圈的材质方面应采用抗氧化性能较好且耐高温的材料 3 降低系统油液的工作温度 37 38 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O型圈的扭曲损坏 扭曲是指O型圈沿周向发生扭转的现象 扭转现象一般发生在动密封状态 原因 引起扭曲损伤的原因很多 其中最主要的是由于活塞 活塞杆和缸筒的间隙不均匀 偏心过大 O型圈的断面直径不均匀等造成 由于造成O型圈在一周中受的摩擦力不均匀 O型圈的某些部分摩擦过大 发生扭曲 另外由于密封沟槽存在着同轴度偏差 密封高度不相等 以及O型圈截面直径不均匀等现象 可能使O型圈的一部分压缩过大 另一部分过小或者不受压缩 此外还会导致O型圈一部分沿工作表面滑动另一部分发生滚动 从而造成O型圈扭曲 运动用O型圈扭曲损坏 是密封装置发生损坏和泄露的重要原因 措施 1 选择O型圈安装沟槽的同心度大小时 从加工方便和不产生扭曲两方面考虑 2 采用断面尺寸均匀的O型圈 并在每次安装时在密封部位涂抹润滑油或脂 3 加大O型圈的截面直径 动密封用O型圈直径一般应大于静密封用O型圈 4 在低压下也产生扭曲损伤时 可使用密封圈保护挡圈 5 降低缸筒和活塞杆的表面粗糙度 6 采用低摩擦系数的材料制作O型密封圈 38 39 O型密封圈保管 安装以及失效处理 O型圈的挤出失效 原因 被密封零件存在