O形密封圈型式、沟槽设计及选用原则

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O形密封圈是密封元件中应用得最早、最多、最普遍，简称O形圈或Oring。

O形密封圈结构示意

d1—O形密封圈的内径；

d2—O形密封圈的截面直径；

O形密封圈有以下几个优点：

1）密封部位结构简单，安转部位紧凑，重量较轻；

2）具有自密封作用，单个密封圈便能完成密封；

3）密封性能好，用于静密封时几乎能做到“零泄漏”；

4）运动摩擦阻力小，对于压力交变的场合也能适用；

5）尺寸和沟槽标准化，成本低，便于使用与外观。

O形密封圈的密封机理

通过比较O形圈与平面密封圈来说明O形圈的密封机理。

平面密封圈工作时的接触压力分布是均匀的，这样就会导致一个问题，当介质内压Pi大于平面密封圈接触压力时，就有可能发生泄漏。

平面密封圈工作应力分布

O形圈的初始接触压力是不均匀的，工作时在内压作用下O形圈沿作用力方向一定，并改变其截面形状，密封面上的接触压力也相应发生变化，其最大值Pmax将大于介质内压，所以不发生泄漏。这就是O形圈用作静密封的密封机理。

这种借介质本身压力来改变O形圈接触状态进而实现密封的过程，称为“自封作用”。

O形圈初始应力（左）和O形圈接触应力（右）

O形密封圈材料

O形密封圈材料选择，主要考虑以下几个方面：

1）O形密封圈的工作状态 这是指O形密封圈用于静密封还是用于

动密封,是滑动还是转动。

2）机器的工作状态 指机器处于连续工作还是断续工作，并应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 工作介质是液体还是气体,并考虑其物理和化学特性。

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热冷交变的温度。

O形密封圈材料的使用范围

材料	材料代号	使用温度		适用介质	备注
丁腈橡胶	NBR	静态	动态	矿物油、气油、苯
氢化丁腈橡胶	HNBR	-30~120	80以下	矿物油、弱酸、弱碱、盐溶液
氟橡胶	FKM	-20~200	150以下	热油、蒸汽、空气、无机酸、卤素类溶剂
硅橡胶	VMQ	-60~260	-60~260	高低温油、矿物油、动植物油、氧、弱酸、弱碱类
三元乙丙橡胶	EPDM	-50~150	80以下	弱酸、弱碱、盐溶液、工艺污水、高温水蒸气
丙烯酸酯橡胶	ACM	-50~150	80以下	矿物油、液压油、润滑油等
乙烯丙烯酸酯橡胶	AEM	-50~150	80以下	矿物油、液压油、臭氧
聚酯型聚氨酯橡胶	AU	-30~80	60以下	水、油
聚醚型聚氨酯橡胶	EU	-30~80	60以下	水、油

O形密封圈硬度级别

材料	材料代号	硬度级别
丁腈橡胶	NBR	70、80、90
氢化丁腈橡胶	HNBR	75、85
氟橡胶	FKM	70、80、90
硅橡胶	VMQ	70
三元乙丙橡胶	EPDM	70、80
丙烯酸酯橡胶	ACM	70
乙烯丙烯酸酯橡胶	AEM	70
聚酯型聚氨酯橡胶	AU	90
聚醚型聚氨酯橡胶	EU	90

O形密封圈沟槽设计

O形密封圈的沟槽设计包括确定槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙度等。如果是动密封，好需要确认部件相对运动的间隙。

沟槽外形设计原则有以下几点：

1）制造加工容易；

2）尺寸合理，保证配合精度；

3）便于后续维护更换。

按O形密封圈压缩方向要求，可以将O形密封圈沟槽分为径向密封和轴向密封两种。

径向密封多应用于运动的场合。比如活塞密封、活塞杆密封、挡圈密封等。

活塞密封

活塞杆密封

单挡圈密封

双挡圈密封

轴向密封多应用于静态密封场合。比如端盖密封、法兰端面密封、液压接头密封等。

轴端密封

O形密封圈沟槽设计需要考虑槽宽及槽深。

槽宽的设计主要考虑以下三个方面：

1）槽宽必须大于O形密封圈压缩变形后的最大直径。

2）O形圈在运动状态下，由于发热会引起膨胀或介质引起的溶胀，这部分的尺寸偏差也要考虑。

3）保证O形密封圈在往复运动结构的沟槽中能滚动自如。一般要求，O形密封圈的截面面积至少应占矩形槽截面面积的85%。

槽宽不宜太窄，容易导致O形密封圈填满了槽的截面，在运动状态下摩擦阻力会特别大，O形密封圈无法滚动，引起严重磨损，导致密封圈失效。

槽也不宜太宽，沟槽太宽时，O形密封圈的运动范围大，频繁的运动中也会加快密封圈磨损失效。在静密封状态下，如果系统的工作压力是波动的，那么O形密封圈周围的压力是波动的，对密封圈造成冲击，时间久了，也导致密封圈磨损失效。

如果系统的压力很高，那就有必要给O形密封圈增加挡圈，那么槽宽是可以适当加大来容纳挡圈。

槽深设计

槽深同样决定了O形密封圈能否正常进行工作，槽深的尺寸取决于O形密封圈的压缩变形量。

O形密封圈压缩截面

截面压缩率表示为：

X=(d₂—t)/d₂*100%

d₂—O形密封圈自由状态下的截面直径；

t—O形密封圈与密封表面的距离，即O形密封圈压缩后的截面高度；

注：O形密封圈正常安装后t=h。

对于静密封而言，圆柱面静密封，截面压缩率X一般为10%~15%；对于平面静密封，X一般为15%~30%。

对于液压往复运动状态时，截面压缩率X一般取12%~20%；而气动密封，压缩率取5%~6%。

以上截面压缩率的取值原则是：压力高时，截面压缩率取较大值，压力低时，取较小值。

槽口即槽底圆角设计

O形密封圈在内压的作用时，会开始往低压侧靠紧。在图示的A区形成一个封闭区。随着压力增高，A区的润滑油被挤出到B区，如果系统的内压是频繁波动的状态，O形密封圈容易被挤出密封槽。因此这个位置的圆角即不能太大也不能太小，一般取值0.2~1.2mm。这个槽底的圆角还有一个作用时避免该位置出现应力集中。

槽口处的圆角是为了防止O形密封圈装配时刮伤而设计的。这个圆角也不宜过大，一般取0.1~0.3mm。

挡圈的设置

挡圈的作用是防止O形密封圈发生“挤出”现象，提高其使用压力。如果单向受压，则在承压侧用一个挡圈；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。

以上是O形密封圈沟槽设计原则，针对一些非标密封圈我们可以按以上要求进行设计。

现在O形密封圈已经标准化，设计过程中，可以直接选用常规通用型的密封圈。

标准O形密封圈沟槽尺寸

径向密封的沟槽尺寸mm

O形密封圈截面直径d2			1.80	2.65	3.55	5.30	7.00
沟槽宽度	气动密封		2.2	3.4	4.6	6.9	9.3
	液压动密封或静密封	b	2.4	3.6	4.8	7.1	9.5
		b1	3.8	5.0	6.2	9.0	12.3
		b2	5.2	6.4	7.6	10.9	15.1
沟槽深度t	活塞密封（计算d3用）	液压动密封	1.35	2.10	2.85	4.35	5.85
		气动动密封	1.4	2.15	2.95	4.5	6.1
		静密封	1.32	2.0	2.9	4.31	5.85
	活塞杆密封（计算d6用）	液压动密封	1.35	2.10	2.85	4.35	5.85
		气动动密封	1.4	2.15	2.95	4.5	6.1
		静密封	1.32	2.0	2.9	4.31	5.85
最小导角长度zmm			1.1	1.5	1.8	2.7	3.6
沟槽底圆角半径r1			0.2~0.4		0.4~0.8		0.8~1.2
沟槽棱角半径r2			0.1~0.3

轴向密封沟槽尺寸mm

O形密封圈截面直径d2	1.80	2.65	3.55	5.30	7.00
沟槽宽度b	2.6	3.8	5.0	7.3	9.7
沟槽深度h	1.28	1.97	2.75	4.24	5.72
沟槽底圆角半径r1	0.2~0.4		0.4~0.8		0.8~1.2
沟槽棱圆角半径r2	0.1~0.3