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,O型圈密封結構設計,1,Li Qiang 2011-01-07,.Johnson Controls,2,O型圈密封結構設計,1、O型圈概述 2、O型圈密封原理和要求 3、O型圈材料特性及選擇 4、O型圈密封的設計原則 5、O型圈密封溝槽設計 6、O型圈的性能 7、O型圈失效 8、O型圈的變形發(fā)展 9、O型圈生產(chǎn)制造 10、問題,.Johnson Controls,3,1.0 O型圈概述,O型圈是一種界面形狀為圓形的橡膠圈，是液壓氣動中應用最廣泛的密封件,.Johnson Controls,4,1.1 O型圈特點,特點： 1尺寸小裝拆方便 2動靜密封均可用 3靜密封幾乎沒有泄漏 4單件使用雙向密封 5動摩擦力小 6價格低,.Johnson Controls,5,2.1 O型圈密封原理,O型圈密封是一種擠壓型密封。當密封件產(chǎn)生初始形變和應力Pseal，Pw>Pseal時，將不會泄漏。 Pm=P0+Pp，Pp=K×P。 Pm=P0+K×P K為介質壓力傳遞給O型圈壓力的系數(shù)（對橡膠，K=1；對無縫鋼管？復合密封圈？） 因此，只要O型圈存在初始壓力，就可實現(xiàn)無泄漏的絕對密封。 O型圈密封是一種自密封結構。,,,.Johnson Controls,6,2.2 O型圈密封壓縮變形率選擇,,理論上0壓縮也可實現(xiàn)密封，實際是不可能的。 偏心 工作載荷下，O型圈拉伸，變細，就可能泄漏 低溫 橡膠收縮，變細，可能泄漏（低溫會造成橡膠加速老化，失去補償能力） 一般斷面有7%-30%的壓縮變形率，靜密封取大的壓縮率（15%-30%），動密封取小的壓縮率（9-25%）,,,,,偏心,,,,,,.Johnson Controls,7,2.3 O型圈受內(nèi)壓、外壓選擇,,受內(nèi)壓 O型圈外徑與溝槽外徑相同 受外壓 O型圈內(nèi)徑與溝槽內(nèi)徑相同 防止出現(xiàn)在工作壓力下出現(xiàn)O型圈直徑變小。 將 O 形圈安裝在溝槽內(nèi)時，要受到拉伸或壓縮。若拉伸和壓縮的數(shù)值過大，將導致O形圈截面過度增大或減小，因為拉伸1%相應地使截面直徑W 減小約0.5%。對于孔用（內(nèi)壓）密封，O形圈最好處于拉伸狀態(tài)，最大允許拉伸量為6%；對于軸用（內(nèi)壓）密封，O 形圈最好延其周長方向受壓縮，最大允許周長壓縮量為3%。,,,受內(nèi)壓,受外壓,.Johnson Controls,8,2.4 O型圈擠出原理,,.Johnson Controls,9,2.4 O型圈允許擠出間隙,,最大允許擠出間隙gmax 和系統(tǒng)壓力，O 形圈截面直徑以及材料硬度有關。通常，工作壓力越高，最大允許擠出間隙gmax 取值越小。如果間隙g 超過允許范圍，就會導致O 形圈擠出甚至損壞,當壓力超過5MPa時，建議使用擋圈,,.Johnson Controls,10,2.4 O型圈允許擠出間隙,,.Johnson Controls,11,2.5 O型圈壓縮量選擇,液壓-氣動-靜密封,液壓-動密封,氣動-動密封,和材料有關的O形圈圓周方向的壓縮力,.Johnson Controls,12,3.0 O型圈材料特性,,.Johnson Controls,13,3.1 O型圈材料特性比較圖,,.Johnson Controls,14,3.2 O型圈材料特性排序,,.Johnson Controls,15,3.3 O型圈材料硬度,,.Johnson Controls,16,3.4 O型圈材料特性,,.Johnson Controls,17,3.5 O型圈材料耐化學性,,.Johnson Controls,18,3.6 O型圈材料耐溫性,,.Johnson Controls,19,3.7 O型圈材料選擇原則,,外界因素： 1，工作狀態(tài)：動密封，靜密封；連續(xù)工作，間斷工作等 2，工作介質：液體、氣體還是兩相流，及介質的物理化學性能，與介質相容性 3，工作壓力：介質工作壓力高低，壓力波幅，瞬時最大壓力 4，工作溫度：瞬時溫度和冷熱交變溫度 5，成本來源：成本低，來源廣,O型圈的硬度硬度： 一般為70-90邵氏硬度，靜密封選低值70，旋轉密封取高值80，極少采用90。,.Johnson Controls,20,4.0 O型圈設計原則,通則： O型圈密封是擠壓式密封，設計主要內(nèi)容為O型圈的壓縮和拉伸。 O型圈直徑壓縮和拉伸。 a，壓縮量過小：泄漏 b，壓縮量過大：應力松弛引起泄漏 c，拉伸量過大：界面直徑減少太大而引起泄漏,4.0 壓縮率設計： W%=(d0-h)/d0。 a，有足夠的密封接觸面積 b，避免永久變形 c，摩擦力盡量小 圓柱靜密封：10%-15%，平面靜密封：15%-30%。 往復運動密封：10%-15%。 旋轉動密封：內(nèi)徑比軸大3%-5%，外徑壓縮率為3%-8%。 低摩擦用密封：一般為5%-8%，考慮介質和溫度引起的膨脹， 如超過15%，重新選材。,.Johnson Controls,21,4.1 O型圈設計原則,4.1 拉伸率設計： W%=(d0+d)/(d0+d1)。 O型圈裝入軸中后，一般會有拉伸，如果無拉伸，裝配時容易脫出，如拉伸過大，會導致O型圈截面積減少太多，出現(xiàn)泄漏。 一般其拉伸量為1%-5%。,.Johnson Controls,22,4.2 O型圈設計原則,4.2 接觸寬度設計： O形圈裝入密封溝槽后，其橫截面產(chǎn)生壓縮變形。變形后的寬度及其與密封面的接觸寬度都和O形圈的密封性能，其值過小會使密封性受到影響。 O形圈變形后的寬度Bo（mm）與O形圈的壓縮率W和截面直徑do有關，可用下式計算 Bo=（1/(1-W)-0.6W）do （W取10%~40%） O形圈與密封面的接觸面寬度b（mm）也取決于W和do： b=( 4W^2+0.34W+0.31)do ( W取10%~40%) 一般情況，考慮到壓力脈動和抽真空的需求，Bo應接近于槽寬，對于氣體介質的密封，Bo應比槽寬小0.1-0.2mm；對于液體介質的密封， Bo應比槽寬小0.2-0.5mm。 同時Bo不應大于槽寬，否則承壓后可能會減小密封接觸寬度，同時減小密封接觸應力而導致泄漏。 有壓力脈動時，槽寬過大會導致O型圈來回偏移，出現(xiàn)磨損；槽寬過小會導致O型圈填滿溝槽，導致阻力過大。,.Johnson Controls,23,5.0 O型圈溝槽設計,5.0 O型圈溝槽設計： 槽體積比O型圈體積大15%左右。 設計參數(shù)：形狀，尺寸，精度，粗糙度，對于動密封，需要計算相對運動間隙。 原則：容易加工，尺寸合理，精度容易保證，拆裝方便。 a，有壓縮3%-30%的壓縮。 b，在介質中膨脹，溫升膨脹。 c，太窄磨損，太寬滾動磨損。,.Johnson Controls,24,5.1 O型圈溝槽設計,5.2 O型圈溝槽深度設計： 槽深的設計決定O型圈的設計壓縮量，溝槽深度加上間隙小于O型圈自由狀態(tài)下O型圈的線徑。 O型圈的壓縮量由內(nèi)徑壓縮量δ’和外徑壓縮量δ”構成。 δ’ δ”,O型圈安裝時受拉伸；用于滑動密封，如活塞密封。,5.3 O型圈溝槽槽口和槽底圓角設計： 槽口圓角：防止O型圈裝配時出現(xiàn)割傷和刮傷。R=0.1～0.2 mm 過大，過小會出現(xiàn)什么情況？（擠出和割傷） 槽底圓角：防止出現(xiàn)應力集中， 動：R=0.1～1.0 mm ，靜:R=d0/2 mm ，,.Johnson Controls,25,5.3 O型圈溝槽設計,5.4 O型圈溝槽槽口和槽底圓角設計： 槽口圓角：防止O型圈裝配時出現(xiàn)割傷和刮傷。R=0.1～0.2 mm 過大，過小會出現(xiàn)什么情況？（擠出和割傷） 槽底圓角：防止出現(xiàn)應力集中， 動：R=0.1～1.0 mm ，靜:R=d0/2 mm ，,5.5 O型圈溝槽表面粗糙度設計： 靜密封：Ra=6.3～3.2， 動密封：Ra=1.6 ， 旋轉密封：軸凹槽：Ra=0.4或更小。 A，采用什么樣的工藝來加工溝槽比較好。 B，溝槽的粗糙度過大或過小會出現(xiàn)什么問題。,.Johnson Controls,26,5.4 O型圈溝槽設計,5.6 O型圈擋圈設計： 目的：防止O型圈在工作時出現(xiàn)間隙咬傷和擠出實效。 使用：單向受壓，一個擋圈；雙向受壓，兩個擋圈。,.Johnson Controls,27,5.5 O型圈溝槽設計,5.7 O型圈溝槽型式和公差：詳見 GB/T 34523,.Johnson Controls,28,5.6 O型圈溝槽設計,5.8 O型圈密封常見型式：,軸向密封,徑向密封,接頭密封,悶塞密封,.Johnson Controls,29,6.0 O型圈性能,抗磨損,.Johnson Controls,30,6.1 O型圈性能,密封性能,.Johnson Controls,31,6.2 O型圈密封要求,穩(wěn)定性,.Johnson Controls,32,6.3 O型圈性能,抗擠出性,.Johnson Controls,33,6.4 O型圈性能,貼合性,.Johnson Controls,34,7.0 O型圈失效,7.0 O型圈失效： O型圈常見的失效原因有材料問題、壓縮變形、間隙咬傷、扭曲現(xiàn)象、磨料磨損、表面粗糙度不當和焦耳效應等。 壓縮變形，如右圖所示：,.Johnson Controls,35,7.1 O型圈失效,7.1 O型圈失效： O型圈磨損，如右圖所示：,.Johnson Controls,36,7.2 O型圈失效,7.2 O型圈失效： O型圈安裝損壞，如右圖所示：,.Johnson Controls,37,7.3 O型圈失效,7.3 O型圈失效： O型圈爆破失效，如右圖所示：,.Johnson Controls,38,7.4 O型圈失效,7.4 O型圈失效： O型圈熱損傷和氧化，如右圖所示：,.Johnson Controls,39,7.5 O型圈失效,7.5 O型圈失效： O型圈扭曲滾轉損壞，如右圖所示：,.Johnson Controls,40,7.6 O型圈失效,7.6 O型圈失效： O型圈擠出失效 如右圖所示：,.Johnson Controls,41,7.7 O型圈失效,7.7 O型圈失效： O型圈膨脹失效 如右圖所示：,.Johnson Controls,42,7.8 O型圈失效,7.8 O型圈失效： O型圈老化/氧化失效 如右圖所示：,.Johnson Controls,43,7.9 O型圈失效,7.9 O型圈失效： O型圈非典型失效 如右圖所示：,.Johnson Controls,44,8.0 其他型式的密封圈,O型圈的常見的變形型式,.Johnson Controls,45,9.0 非標O型圈制造,1，非標O型圈計算和制造 2，標準大批量O型圈如何生產(chǎn)？飛邊如何去除？,.Johnson Controls,46,10 Question？,