密封圈的计算

【论文摘要】O形密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延长密封圈无泄漏密封寿命的必要保证。据此提出一种选配两者尺寸的理论计算方法，并以Y341—148注水封隔器所选密封圈的计算为例说明，根据不同的密封圈可以计算出相应的密封圈槽尺寸。为保证密封圈长期有效地工作，还必须合理选择其压缩率、拉伸量和孔、轴配合精度等相关参数。选取压缩率时，应考虑有足够的密封面接触压力、尽量小的摩擦力和避免密封圈的永久性变形。顾及到一般试制车间的加工水平和井下工具主要是静密封的状况，建议密封面的轴、孔配合应优先选用H8/e8。 Selection of O-ring and calculation of O-ring groove size Chen Aiping,Zhou Zhongya (Research Institute of Oil Production Technology,Jianghan Petroleum Administration,Qianjiand City,Hubei Province) Rational matching of O-rings and O-ringgrooves is of great importance to p[rolonging the service life of O-rings.A method for selecting O-ring was presented.The sizes of the O-ring gtoove can be calculated according to various O-rings.To ensure long-term and effective work of the ring,the compressibility,tensile dimension and bore-shaft matching accuracy should be properly selected. Subject Concept Terms:O-ring O-ring groove matching service life 　　用O形密封圈(以下简称密封圈)密封是最常用的一种密封方式，然而至关重要的是如何正确地选择密封圈和设计密封圈槽尺寸。常规的方法是将密封圈套在宝塔上用游标卡尺测量外径，再确定其相应尺寸。这种方法的弊端是：(1)密封圈是弹性体，外径测量不准确；(2)在设计新工具时，往往没有现成的密封圈，难以确定尺寸，其过盈量往往掌握不准。过盈量太大时密封圈易被剪切损坏，太小时又容易失封。针对这种状况，笔者提出一种选配密封圈的理论计算方法（指外密封圈），以供参考、讨论。 密封圈的密封机理［1］ 　　密封圈密封属于挤压弹性体密封，是靠密封环预先被挤压由弹性变形产生预紧力，同时工作介质压力也挤压密封环，使之产生自紧力。也就是说，挤压弹性体密封属于自紧式密封。 　　密封圈在介质压力p1作用下，其受力状况如图1所示，产生的接触压力为 pc=pco+Δpc　　　　(1) 式中　pc——介质压力下的总接触压力，MPa； 　　　pco——密封圈初始压力，称之为预接触压力，MPa； 　　　Δpc——介质压力经密封圈传递给接触面的接触压力，称为介质作用接触压力，Δpc=κp1,MPa，其中κ为侧压系数，κ=υ/(1-υ),对于橡胶密封件κ≈0.9～0.985；υ为密封圈材料的泊松比，对于橡胶密封件，υ=0.48～0.496。 图1　密封圈接触压力分布 　　要保持密封，必须保证pc＞p1，而Δpc永远小于p1，故应保持足够的预接触压力pco，即密封圈要有足够的预压缩率，才能保证密封。但如果预压缩率太大，又会影响密封圈的工作寿命，因此密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延长密封圈无泄漏密封寿命的必要保证。 密封圈及密封圈槽的选配方法 　　内密封圈的选配比较简单，不再赘述，这里只介绍一种外密封圈的选配方法。 　　假定孔、轴直径分别为D、d，所选密封圈为D0×d0，问题是如何确定密封圈槽的底径D1，如图2所示。 图2　密封圈及密封圈槽尺寸 　　密封圈被套在密封圈槽上之后，一般都有一定的拉伸量，其断面直径d0变小了，假定变为d1，根据体积不变原理，则密封圈安装前后的体积相等，即 　　　　　 (2) 式中　D0——密封圈外径，mm； 　　　d0——密封圈断面直径，mm； 　　　D——孔直径，mm； 　　　δ——密封圈过盈量，mm； 　　　d1——拉伸后的密封圈断面直径，mm。 　　式(2)中，δ值可根据D值从表1中选取，D0、d0为已知值，则可计算出d1。为了简化计算，用D+δ-d0代替D+δ-d1计算，则式(2)可简化为 　　　 　(3) 　　简化后计算出的d1值有一定的误差，将d1再回归到式(3)中计算，求出d2，即 　　　 　(4) 式中　d2——拉伸后的密封圈断面直径，mm。 　　如此类推，可计算出d3、d4……,一般来说，d2值就已达到要求，则密封圈槽底径D1为 D1=D+δ-2d2　　　　　　　　　　　(5) 　　现举例说明以上计算，如Y341—148注水封隔器活塞孔、轴尺寸为136H9/d9(孔为136 +0.10mm)，所选密封圈为135mm×5mm，过盈量δ选为1.3mm，则变形后的密封圈断面直径为 　　　　　　 　　　　　　 　　取d2=4.96mm，则 D1=D+δ-2d2=127.38mm 　　结合孔径φ136+0.1 +0配上公差后，则槽底径D1为。φ127+0.4 +0.5 　　假定没有135mm×5mm的密封圈，只有132mm×5mm的密封圈，则密封圈槽底径可用同样方法算得，即配上公差后D1为φ127+0.4 +0.5。 　　由以上计算可知，根据不同的密封圈，可以计算出不同的密封圈槽尺寸，可见这种方法比较简单、灵活。但是为保证密封长期有效地工作，还必须合理选择其压缩率、拉伸量和孔轴配合精度等相关参数。 相关参数的确定与应用 　　1.压缩率ε或过盈量δ 　　密封圈是典型的挤压型密封。如图3所示，其压缩率ε通常由下式表示 　　　　　　 式中　h0——密封圈槽底至被密封面的距离，mm。 图3　密封圈压缩率 　　对于圆柱面静密封和往复动密封，ε=10%～15%；对于平面静密封，ε=15%～30%；旋转动密封ε=3%～8%；低摩擦密封ε=5%～8%。 　　选取密封圈压缩率时主要应考虑的因素，一是要有足够的密封面接触压力；二是摩擦力应尽量小；三是应尽量避免永久性变形。 　　与压缩率ε相对应的是过盈量δ，过盈量δ表示密封圈的预压缩情况，其推荐值见表1。 表1　基本尺寸与过盈量关系推荐值 mm 孔直径D尺寸范围 过盈量δ 动密封 静密封 ＜30 0.25～0.33 0.3～0.4 30～50 0.35～0.50 0.4～0.6 50～80 0.50～0.70 0.6～0.8 80～120 0.70～1.00 0.8～1.2 ＞120 1.00～1.40 1.2～1.6 　　注：井下工具用密封圈多为静密封，δ值应从静密封栏中选取。 　　2.拉伸量 　　密封圈装入密封圈槽后，一般都会有一定的拉伸量。但据所查阅的资料可知，尚未对拉伸量有明确的定义。根据笔者的理解，拉伸量应是拉伸后的密封圈中径与自然状态时的中径之比，即 a=(D1+d2)/(D0-d0)　　　　　　　　　(6) 式中　a——密封圈的拉伸量，mm。 　　a的通常推荐值为1.01～1.05。笔者一般取值为1.05，特殊情况下，甚至取为1.1。为了保证密封圈装入密封圈槽后不至太松，a值取得稍大。 　　3.密封圈槽的宽度与形状 　　一般推荐的密封圈槽尺寸见表2，其形状如图4所示。槽宽大致为密封圈断面直径的1.3倍，而平时设计中往往是密封圈槽宽度与密封圈断面直径相等，或者不论密封圈断面直径多大，密封圈比槽宽0.5mm。采用这种尺寸设计的弊端是：(1)用起子或铁钎撬密封圈时，容易损坏密封圈槽，尤其是内密封圈槽，这将降低其耐压差能力；(2)孔、轴相套时，由于密封圈有预过盈量，槽太窄易剪切密封圈。因此，今后在设计密封圈槽宽时应规范尺寸。在加工r为0.1～0.2和R为0.2～0.5的圆弧时，要特别注意r处，如果太尖，在承受高压时易损坏密封圈，需用砂布将其稍稍打钝。 表2　密封圈槽的尺寸［1］mm 密封圈断面直径d0 槽宽B R r 1.9 2.5 0.2 0.1 2.4 3.2 0.2 0.1 3.1 4.0 0.3 0.1 3.5 4.5 0.3 0.1 4.6 6.1 0.4 0.2 5.7 7.5 0.4 0.2 8.6 11.0 0.5 0.2 图4　密封圈槽的标准形状 　　4.轴孔配合公差 　　在承受大于16MPa以上压差时，孔、轴配合一般推荐为H8/f8或H8/f7，在承受高压情况下，还要安装密封挡环［1］。而井下工具工作压力一般超过16MPa，所用孔、轴配合常常采用H9/d9、H10/d10、H10/c10，甚至H11/c11，一方面精度等级较低，另一方面轴、孔间隙太大。这就要求密封圈的过盈量也要大。如Y241—150酸化压裂封隔器的轴、孔配合采用H8/e8，Y341—148堵水封隔器采用H9/d9，轴、孔基本尺寸相同的酸化压裂封隔器密封圈的过盈量比堵水封隔器的小，密封效果就好。 　　相同精度等级轴、孔的配合间隙不同，其受力状况是有区别的，如H10/c10的轴、孔间隙比H10/d10大，密封圈在相同压力p1作用下，其受剪切力的面积大，则总作用力就大，密封圈损坏的可能性加大，但如果轴、孔间隙过小，则轴、孔的同轴度要求更高，加工难度增大。 　　如果片面追求高精度，势必增加加工难度和成本。考虑到试制车间的加工水平及井下工具的实际工作状况（主要是静密封），笔者建议密封圈密封面的轴、孔配合应优先选用H8/e8，在使用要求不高的情况下，也可选用H9/e9。 　　5.橡胶硬度 　　在工作压力8～16MPa范围内，橡胶推荐硬度为70～80HS；16～32MPa范围内，推荐硬度为80～90HS。应加强密封圈进货质量检验。 建　议 　　(1)密封圈槽的尺寸和形状应规范设计，不可随心所欲。 　　(2)为保证密封圈长期有效地工作，必须合理选择压缩率（或过盈量）、拉伸量和孔轴配合精度等。 　　(3)密封圈及密封圈槽的选配可由计算求得。 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。 1、O形圈密封的设计原则 1）压缩率 压缩率W通常用下式表示：                    W= (do-h)/do%  式中 do——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）。 在选取O形圈的压缩率时，应从如下三个方面考虑： a.要有足够的密封接触面积 b.摩擦力尽量小 c.尽量避免永久变形。     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。一般静密封压缩率大于动密封，但其极值应小于30%(和橡胶材料有关），否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。     O 形圈密封压缩率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（或称圆柱静密封）的泄漏间隙是径向间隙，轴向密封（或称平面静密封）的泄漏间隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于O形圈的内径还是外径又分受内压和外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的静密封，密封介质对O形圈的作用力方向是不同的，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%；平面密封装置取W=15%~30%。 2.对于动密封而言，可以分为三种情况： a.往复运动密封一般取W=10%~15%。 b.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%。 c.低摩擦运动用O形圈，为了减小摩擦阻力，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。压缩变形的具体数值，一般情况下，各国都根据自己的使用经验制订出标准或给出推荐值。 2）拉伸量     O形圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率不一样，拉伸量的大小对O形圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。拉伸量大不但会导致O形圈安装困难，同时也会因截面直径do发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量α可用下式表示： α=(d+do)/（d1+do）   式中          d——轴径（mm）；        d1——O形圈的内径（mm）；        do——O形圈的截面直径（mm）。 3）接触宽度 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轴的接触宽度都和O形圈的密封性能和使用寿命有关，其值过小会使密封性受到影响；过大则增加摩擦，产生摩擦热，影响O形圈的寿命。 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形圈与轴的接触面宽度b（mm）也取决于W和dO： b=( 4W2+0.34W+0.31)dO  ( W取10%~40%) 对摩擦力限制较高的O形圈密封，如气动密封、液压伺服控制元件密封，可据此估算摩擦力。 2、O形圈的设计     绝大多数的O形圈是用合成橡胶材料制成的。合成橡胶O形圈的尺寸由国际标准（ISO3601/1）国家标准和组织标准等确定。如有些国家将O形圈的尺寸系列分为P系列（运动用）、G系列（固定用）、V系列（真空用）和ISO系列（一般工业用）四个系列组成。 我国的O形圈内径、截面直径尺寸及公差由GB/T34542.1—1992规定。 密封装置的密封可靠性主要取决于O形圈的压缩量。在一般的情况下，这种压缩量都是很小的，只有十几微米到几十微米，这就要求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进行加工，同时必须准确地掌握作为设计依据的O形圈材质的收缩率。一般只能通过实测，来获得O形圈的收缩率。值得注意的是： 1）O形圈截面收缩率很小，一般不予考虑。只有在其截面直径大于8mm的情况下，才予以考虑。 2）在配方和工艺条件一定的情况下，O形圈的收缩率会随着材质硬度的提高而减小，也会随着其内径的减小而提高。具有中等硬度（HS75±5），以及中等大小（内径d=40~70mm）的O形圈，其内径的收缩率大约为1.5%。 一般，在静密封场合，可选择截面较小的密封圈；在动密封场合，应选择截面较大的密封圈。通常，压力较高和间隙较大时，应选择较高硬度的材料；也可以选择一般硬度的材料，再安装一个聚四氟乙烯挡圈。 3、O形密封圈密封沟槽设计     O形密封圈的压缩量与拉伸量是由密封沟槽的尺寸来保证的，O形密封圈选定后，其压缩量、拉伸量及其工作状态由沟槽决定，所以，沟槽设计与选择对密封装置的密封性和使用寿命的影响很大，沟槽设计是O形圈密封设计的主要内容。 密封沟槽设计包括确定沟槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙等，对动密封，还有确定相对运动间隙。沟槽设计原则是：加工容易，尺寸合理，精度容易保证，O形圈装拆较为方便。常见的槽形为矩形槽。 1）沟槽形状 矩形沟槽是液压气动用O形密封圈使用最多的沟槽形状。这种沟槽的优点是加工容易，便于保证O形密封圈具有必要的压缩量。除矩形沟槽外，还有V形、半圆形、燕尾形和三角形等型式的沟槽。 三角形沟槽截面形状是以M为直角边的等边直角三角形。截面积大约为O形圈截面面积的1.05~1.10倍。三角形沟槽式密封装置在英国、美国、日本等国家均有应用。设计的原则是O形密封圈内径的公称尺寸相等。     密封沟槽即可开在轴上，也可开在孔上；轴向密封则沟槽开在平面上。 2）槽宽的设计 密封沟槽的尺寸参数取决于O形密封圈的尺寸参数。 沟槽尺寸可按体积计算，通常要求矩形沟槽的尺寸比O形圈的体积大15%左右。这是因为： a.O形圈装入沟槽后，承受3%~30%的压缩，而橡胶材料本身是不可压缩的，所以应有容纳O形圈变形部分的空间。 b.处于油液中的O形圈，除了存在由于油液的浸泡而可能引起的橡胶材料的膨胀外，还有可能存在随着液体工作温度的增高，而引起橡胶材料的膨胀现象。所以沟槽必须留有一定的余量。 c.在运动状态下，能适应O形圈可能产生的轻微的滚动现象。一般认为，装配后的O形密封圈与槽壁之间留有适当的间隙是必要的。但是这个间隙不能过大，否则在交变压力的作用下就会变成有害的“游隙”，而增加O形圈的磨损。 槽不宜太窄，如果O形圈截面填满了槽的截面，那么运动时的摩擦阻力将会特别大，O形圈无法滚动，同时引起严重的磨损。槽也不宜过宽，因为槽过宽时O形圈的游动范围很大，也容易磨损。特别是静密封时，如果工作压力是脉动的，那么静密封就不会静，它将在不适宜的宽槽内以同样的脉动频率游动，出现异常磨损，使O形圈很快失效。 O形圈的截面面积至少应占矩形槽截面面积的85%，槽宽必须大于O形圈压缩变形后的最大直径。在许多场合下保证取槽宽为O形圈截面直径的1.1~1.5倍。当内压很高时，就必须使用挡圈，这时槽宽也应相应加大。 工作方式不同，径向密封或轴向密封，动密封或静密封，液压密封或气动密封，密封沟槽尺寸不同。我国O形圈密封圈与密封沟槽尺寸系列根据国家标准GB/T3452.3—1988），也可根据对根据对密封圈压缩量与拉伸量的要求计算设计沟槽尺寸。 3）槽深的设计 沟槽的深度主要取决于O形密封圈所要求的压缩率，沟槽的深度加上间隙，至少必须小于自由状态下的O形圈截面直径，以保证密封所需的O形圈压缩的变形量。  O形圈压缩变形量由O形圈内径处的压缩变形量δ’ 和外径处的压缩变形量δ’’ 组成，即 δ=δ’+δ’’。当δ’=δ’’时，O形圈的截面中心与槽的截面中心重合，两中心圆的圆周相等，说明O形圈安装时未受到拉伸。如果δ’>δ’’，则O形圈截面中心圆的周长小于槽中心圆的周长，说明O形圈以拉伸状态装在槽内；若δ’<δ’’，则O形圈截面中心圆的周长大于槽的截面中心圆周长，此时，O形圈受周向压缩，拆卸时，O形圈会出现弹跳现象。 设计槽深时，应首先确定O形圈的使用方式，然后再去选定合理的压缩变形率。 4）槽口及槽底圆角的设计 沟槽的外边口处的圆角是为了防止O形圈装配时刮伤而设计的。它一般采用较小的圆角半径，即r=0.1~0.2mm。这样可以避免该处形成锋利的刃口，O形圈也不敢发生间隙挤出，并能使挡圈安放稳定。 沟槽槽底的圆角主要是为了避免该处产生应力集中设计的。圆角半径的取值，动密封沟槽可取R=0.3~1mm，静密封沟槽可取其O形圈截面直径的一半，即R=d/2。 5）间隙 往复运动的活塞与缸壁之间必须有间隙，其大小与介质工作压力和O形圈材料的硬度有关。间隙太小，制造、加工困难；间隙太大，O形圈会被挤入间隙而损坏。一般内压越大，间隙越小；O形圈材料硬度越大，间隙可放大。当间隙值在曲线的左下方时，将不发生间隙咬伤即“挤出”现象。 间隙的给定数值与零件的制造精度有很大关系。 6）槽壁粗糙度 密封沟槽的表面粗糙度，直接影响着O形圈的密封性和沟槽的工艺性。静密封用O形圈工作过程中不运动，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3~3.2μm，对于往复运动用O形圈，因常在槽内滚动，槽壁与槽底的粗糙程度应到低一些，要求在Ra=1.60μm以下。旋转运动用的O形圈一般在沟槽内是静止的，要求轴的粗糙度Ra=0.40μm或者抛光。 4、挡圈     挡圈的作用在于防止O形圈发生“间隙咬伤”现象，提高其使用压力。安有挡圈的O形圈在高压作用下，首先向挡圈靠拢。随着压力的增加，O形圈与挡圈互相挤压。由于它们是弹性体，两者同时发生变形，此变形首先向它们的上下两角扩展，直到压力超过10.5MPa。这种变形一直在两者之间进行，而不致使挡圈发生“挤出”现象。根据挡圈材料和结构形式的不同，其承压能力提高的程度也不同。当压力足够大时，挡圈也会产生“挤出”现象。 O形圈使用挡圈后，工作压力可以大大提高。静密封压力能提高到200~700MPa；动密封压力也能提高到40MPa。挡圈还有助于O形圈保持良好的润滑。如果单向受压，则在承受侧用一个挡圈；如果双向受压则用两个挡圈。对于静密封，内压在32MPa以下不用挡圈，超过此值用挡圈。使用挡圈后虽可防止O形圈发生“间隙咬伤”现象，但会增加密封装置的摩擦阻力。 挡圈的材料有皮革、硬橡胶和聚四氟乙烯等，也有尼龙6和尼龙1010的。而以聚四氟乙烯挡圈最为常用。聚四氟乙烯作为挡圈材料有下列有点。 1）工作精度高。 2）耐化学品性能优异，可用于几乎所有的介质。 3）无硬化破损现象。 4）使用温度范围宽。 5）摩擦力小。 6）无吸水性。 7）在177℃温度下不发生老化等。