O型圈密封是典型的擠壓型密封。O型圈截面直徑的壓縮率和拉伸是密封設計的主要內容，對密封性能和壽命周期有重要意義。O型圈一般安裝在密封溝槽內起密封作用。O型密封圈良好的密封效果很大程度上取決于O形圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。密封裝置設計加工時，如果O型圈壓縮量過小，就會引起泄漏;壓縮量過大則會導致O型密封圈橡膠應力松弛而引起泄漏。同樣，O型圈工作中拉伸過度，也會加速老化而引起泄漏。世界各G的標準對此都有較嚴格的規定。

　　一、O型圈密封的設計原則

　　①壓縮率

　　壓縮率W通常用下式表示：

　　W= (do-h)/do%

　　公式中 do——O型圈在自由狀態下的截面直徑(mm)

　　h ——O型圈槽底與被密封表面的距離，即O型圈壓縮后的截面高度(mm)。

　　在選取O型圈的壓縮率時，應從如下三個方面考慮：

　　a.摩擦力盡量小

　　b.盡量避免變形

　　c.要有足夠的密封接觸面積

　　從以上這些因素不難發現，它們相互之間存在著矛盾。壓縮率大就可獲得大的接觸壓力，但是過大的壓縮率無疑會增大滑動摩擦力和變形。而壓縮率過小則可能由于密封溝槽的同軸度誤差和O形圈誤差不符合要求，消失部分壓縮量而引起泄漏。因此，在選擇O形圈的壓縮率時，要權衡個方面的因素。一般靜密封壓縮率大于動密封，但其G值應小于30%(和橡膠材料有關)，否則壓縮應力明顯松弛，將產生過大的變形，在高溫工況中尤為嚴重。

　　O形圈密封壓縮率W的選擇應考慮使用條件，靜密封或動密封;靜密封又可分為徑向密封與軸向密封;徑向密封(或稱圓柱靜密封)的泄漏間隙是徑向間隙，軸向密封(或稱平面靜密封)的泄漏間隙是軸向間隙。軸向密封根據壓力介質作用于O型圈的內徑還是外徑又分受內壓和外壓兩種情況，內壓增加的拉伸，外壓降低O型圈的初始拉伸。上述不同形式的靜密封，密封介質對O形圈的作用力方向是不同的，所以預壓力設計也不同。對于動密封則要區分是往復運動還是旋轉運動密封。

　　1.靜密封：圓柱靜密封裝置和往復運動式密封裝置一樣，一般取W=10%~15%;平面密封裝置取W=15%~30%。

　　2.對于動密封而言，可以分為三種情況：

　　a.旋轉運動密封在選取壓縮率時必須要考慮焦耳熱效應，一般來說，旋轉運動用O型圈的內徑要比軸徑大3%~5%，外徑的壓縮率W=3%~8%。

　　b.低摩擦運動用O型圈，為了減小摩擦阻力，一般均選取較小的壓縮率，即 W=5%~8%。此外，還要考慮到介質和溫度引起的橡膠材料膨脹。通常在給定的壓縮變形之外，允許的Z大膨脹率為15%，超過這一范圍說明材料選用不合適，應改用其它材料的O形圈，或對給定的壓縮變形率予以修正。壓縮變形的具體數值，一般情況下，各G都根據自己的使用經驗制訂出標準或給出推薦值。

　　c.往復運動密封一般取W=10%~15%。

　　2)拉伸量

　　O型圈在裝入密封溝槽后，一般都有一定的拉伸量。與壓縮率不一樣，拉伸量的大小對O型圈的密封性能和使用壽命也有很大的影響。拉伸量大不但會導致O型圈安裝困難，同時也會因截面直徑do發生變化而使壓縮率降低，以致引起泄漏。拉伸量α可用下式表示：

　　α=(d+do)/(d1+do)

　　公式中

　　d——軸徑(mm);

　　d1——O形圈的內徑(mm);

　　do——O形圈的截面直徑(mm)。

　　3)接觸寬度

　　O形圈裝入密封溝槽后，其橫截面產生壓縮變形。變形后的寬度及其與軸的接觸寬度都和O形圈的密封性能和使用壽命有關，其值過小會使密封性受到影響;過大則增加摩擦，產生摩擦熱，影響O型圈的壽命。

　　O型圈變形后的寬度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型圈與軸的接觸面寬度b(mm)也取決于W和dO：

　　b=( 4W2+0.34W+0.31)dO ( W取10%~40%)

　　對摩擦力限制較高的O形圈密封，如氣動密封、液壓伺服控制元件密封，可據此估算摩擦力。

　　二、O形圈的設計

　　絕大多數的O形圈是用合成橡膠材料制成的。合成橡膠O形圈的尺寸由GJ標準(ISO3601/1)GJ標準和組織標準等確定。如有些GJ將O形圈的尺寸系列分為P系列(運動用)、G系列(固定用)、V系列(真空用)和ISO系列(一般工業用)四個系列組成。

　　我G的O形圈內徑、截面直徑尺寸及公差由GB/T34542.1—1992規定。

　　密封裝置的密封可靠性主要取決于O形圈的壓縮量。在一般的情況下，這種壓縮量都是很小的，只有十幾微米到幾十微米，這就要求O形圈的尺寸公差具有很高的精度。因此，O形圈需要采用高精度的模具進行加工，同時必須準確地掌握作為設計依據的O形圈材質的收縮率。一般只能通過實測，來獲得O形圈的收縮率。值得注意的是：

　　1)O形圈截面收縮率很小，一般不予考慮。只有在其截面直徑大于8mm的情況下，才予以考慮。

　　2)在配方和工藝條件一定的情況下，O形圈的收縮率會隨著材質硬度的提高而減小，也會隨著其內徑的減小而提高。具有中等硬度(HS75±5)，以及中等大小(內徑d=40~70mm)的O形圈，其內徑的收縮率大約為1.5%。

　　一般，在靜密封場合，可選擇截面較小的密封圈;在動密封場合，應選擇截面較大的密封圈。通常，壓力較高和間隙較大時，應選擇較高硬度的材料;也可以選擇一般硬度的材料，再安裝一個聚四氟乙烯擋圈。

　　三、O型密封圈密封溝槽設

　　O型密封圈的壓縮量與拉伸量是由密封溝槽的尺寸來保證的，O形密封圈選定后，其壓縮量、拉伸量及其工作狀態由溝槽決定，所以，溝槽設計與選擇對密封裝置的密封性和使用壽命的影響很大，溝槽設計是O形圈密封設計的主要內容。

　　密封溝槽設計包括確定溝槽的形狀、尺寸、精度和表面粗糙等，對動密封，還有確定相對運動間隙。溝槽設計原則是：加工容易，尺寸合理，精度容易保證，O形圈裝拆較為方便。常見的槽形為矩形槽。

　　(1)槽寬的設計

　　密封溝槽的尺寸參數取決于O型密封圈的尺寸參數。

　　溝槽尺寸可按體積計算，通常要求矩形溝槽的尺寸比O型圈的體積大15%左右。這是因為：

　　a.O形圈裝入溝槽后，承受3%~30%的壓縮，而橡膠材料本身是不可壓縮的，所以應有容納O形圈變形部分的空間。

　　b.處于油液中的O形圈，除了存在由于油液的浸泡而可能引起的橡膠材料的膨脹外，還有可能存在隨著液體工作溫度的增高，而引起橡膠材料的膨脹現象。所以溝槽必須留有一定的余量。

　　c.在運動狀態下，能適應O形圈可能產生的輕微的滾動現象。一般認為，裝配后的O形密封圈與槽壁之間留有適當的間隙是必要的。但是這個間隙不能過大，否則在交變壓力的作用下就會變成有害的“游隙”，而增加O形圈的磨損。

　　槽不宜太窄，如果O形圈截面填滿了槽的截面，那么運動時的摩擦阻力將會特別大，O形圈無法滾動，同時引起嚴重的磨損。槽也不宜過寬，因為槽過寬時O形圈的游動范圍很大，也容易磨損。特別是靜密封時，如果工作壓力是脈動的，那么靜密封就不會靜，它將在不適宜的寬槽內以同樣的脈動頻率游動，出現異常磨損，使O形圈很快失效。

　　O型圈的截面面積至少應占矩形槽截面面積的85%，槽寬必須大于O型圈壓縮變形后的Z大直徑。在許多場合下保證取槽寬為O型圈截面直徑1.1~1.5倍。當內壓很高時，就必須使用擋圈，這時槽寬也應相應加大。

　　工作方式不同，徑向密封或軸向密封，動密封或靜密封，液壓密封或氣動密封，密封溝槽尺寸不同。我GO型圈密封圈與密封溝槽尺寸系列根據GJ標準GB/T3452.3—1988)，也可根據對根據對密封圈壓縮量與拉伸量的要求計算設計溝槽尺寸。

　　(2)槽深的設計

　　溝槽的深度主要取決于O形密封圈所要求的壓縮率，溝槽的深度加上間隙，至少必須小于自由狀態下的O型圈截面直徑，以保證密封所需的O形圈壓縮的變形量。

　　O型圈壓縮變形量由O型圈內徑處的壓縮變形量δ’ 和外徑處的壓縮變形量δ’’ 組成，即 δ=δ’+δ’’。當δ’=δ’’時，O型圈的截面中心與槽的截面中心重合，兩中心圓的圓周相等，說明O形圈安裝時未受到拉伸。如果δ’>δ’’，則O型圈截面中心圓的周長小于槽中心圓的周長，說明O形圈以拉伸狀態裝在槽內;若δ’<δ’’，則O形圈截面中心圓的周長大于槽的截面中心圓周長，此時，O形圈受周向壓縮，拆卸時，O型圈會出現彈跳現象。

　　設計槽深時，應S先確定O形圈的使用方式，然后再去選定合理的壓縮變形率。

　　(3)溝槽形狀

　　矩形溝槽是液壓氣動用O形密封圈使用Z多的溝槽形狀。這種溝槽的優點是加工容易，便于保證O形密封圈具有必要的壓縮量。除矩形溝槽外，還有半圓形、V形、三角形和燕尾形等型式的溝槽。

　　三角形溝槽截面形狀是以M為直角邊的等邊直角三角形。截面積大約為O形圈截面面積的1.05~1.10倍。三角形溝槽式密封裝置在、美、日、英等GJ均有應用。設計的原則是O形密封圈內徑的公稱尺寸相等。

　　密封溝槽即可開在軸上，也可開在孔上;軸向密封則溝槽開在平面上。

　　(4)間隙

　　往復運動的活塞與缸壁之間必須有間隙，其大小與介質工作壓力和O型圈材料的硬度有關。間隙太小，制造、加工困難;間隙太大，O形圈會被擠入間隙而損壞。一般內壓越大，間隙越小;O型圈材料硬度越大，間隙可放大。當間隙值在曲線的左下方時，將不發生間隙咬傷即“擠出”現象。

　　間隙的給定數值與零件的制造精度有很大關系。

　　(5)槽壁粗糙度

　　密封溝槽的表面粗糙度，直接影響著O型圈的密封性和溝槽的工藝性。靜密封用O形圈工作過程中不運動，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm，對于往復運動用O型圈，因常在槽內滾動，槽壁與槽底的粗糙程度應到低一些，要求在Ra=1.60μm以下。旋轉運動用的O型圈一般在溝槽內是靜止的，要求軸的粗糙度Ra=0.40μm或者拋光。

　　(6)槽口及槽底圓角的設計

　　溝槽的外邊口處的圓角是為了防止O型圈裝配時刮傷而設計的。它一般采用較小的圓角半徑，即r=0.1~0.2mm。這樣可以避免該處形成鋒利的刃口，O型圈也不敢發生間隙擠出，并能使擋圈安放穩定。

　　溝槽槽底的圓角主要是為了避免該處產生應力集中設計的。圓角半徑的取值，動密封溝槽可取R=0.3~1mm，靜密封溝槽可取其O型圈截面直徑的一半，即R=d/2.

　　四、擋圈

　　著壓力的增加，O型圈與擋圈互相擠壓。由于它們是彈性體，兩者同時發生變形，此變形S先向它們的上下兩角擴展，直到壓力超過10.5MPa。這種變形一直在兩者之間進行，而不致使擋圈發生“擠出”現象。根據擋圈材料和結構形式的不同，其承壓能力提高的程度也不同。當壓力足夠大時，擋圈也會產生“擠出”現象。

　　O型圈使用擋圈后，工作壓力可以大大提高。靜密封壓力能提高到200~700MPa;動密封壓力也能提高到40MPa。擋圈還有助于O型圈保持良好的潤滑。如果單向受壓，則在承受側用一個擋圈;如果雙向受壓則用兩個擋圈。對于靜密封，內壓在32MPa以下不用擋圈，超過此值用擋圈。使用擋圈后雖可防止O型圈發生“間隙咬傷”現象，但會增加密封裝置的摩擦阻力。

　　擋圈的材料有皮革、硬橡膠和聚四氟乙烯等，也有尼龍1010和尼龍6的。而以聚四氟乙烯(PTFE)擋圈Z為常用。聚四氟乙烯作為擋圈材料有下列特點。

　　(1)無硬化破損現象;

　　(2)摩擦力小;

　　(3)在177℃溫度下不發生老化等;

　　(4)耐化學品性能優異，可用于幾乎所有的介質;

　　(5)工作精度高;

　　(6)無吸水性;

　　(7)使用溫度范圍寬。

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