o型(xíng)圈設計、使用不當會加速它(tā)的(de)損壞,喪(sàng)失密(mì)封性能(néng)。實驗表(biǎo)明,如(rú)密封裝置各(gè)部分設計合理(lǐ),單純(chún)地提(tí)高壓力,并(bìng)不會造成o型圈(quān)的破(pò)壞(huài)。在高壓(yā)、高溫(wēn)的(de)工(gōng)作條(tiáo)件下,o型圈破壞(huài)的主(zhǔ)要原因是o型圈(quān)材料的永(yǒng)久變形(xíng)和o型圈(quān)被擠(jǐ)入密(mì)封間(jiān)隙而引起的間隙咬(yǎo)傷(shāng)一(yī)級o型(xíng)圈在運動時出(chū)現扭(niǔ)曲現象(xiàng)。
1、永(yǒng)久變形
由(yóu)于o型(xíng)圈密(mì)封圈用的(de)合成橡膠材料(liào)是(shì)屬于粘彈性(xìng)材料,所以初期設定的壓緊量(liàng)和回(huí)彈堵(dǔ)塞能力經長時間的(de)使用,會産生永(yǒng)久變(biàn)形而(ér)逐漸(jiàn)喪失,最終發生洩漏(lòu)。永久(jiǔ)變形(xíng)和彈(dàn)力消失是o型(xíng)圈失(shī)去密封(fēng)性能(néng)的主要原因,以下是造成(chéng)永久變(biàn)形(xíng)的主要原(yuán)因。
1).壓縮率(lǜ)和拉伸量與永久變形的(de)關系
制作o型(xíng)圈(quān)所用的各種配方的橡膠,在壓(yā)縮狀态下都(dōu)會(huì)産生(shēng)壓縮應力松弛現象(xiàng),此時,壓縮(suō)應力随(suí)着時間(jiān)的增(zēng)長而減小(xiǎo)。使用(yòng)時(shí)間越長、壓縮(suō)率和拉伸(shēn)量越大,則由橡膠應力松(sōng)弛而(ér)産生的應(yīng)力下降就越大,以緻(zhì)o型圈彈性(xìng)不足,失去密封能力(lì)。因此,在允許的(de)使用(yòng)條(tiáo)件下,設(shè)法降低壓縮率(lǜ)是可(kě)取的。增加(jiā)o型圈的截面尺(chǐ)寸是降低壓縮率最簡(jiǎn)單(dān)的方(fāng)法,不過這會帶(dài)來結(jié)構尺寸(cùn)的(de)增加。
應該注意(yì),人們在(zài)計算壓(yā)縮率(lǜ)時,往往忽略了(le)o型圈在裝(zhuāng)配時(shí)受拉伸而(ér)引起的截(jié)面高度的減(jiǎn)小(xiǎo)。o型圈(quān)截面面積的變(biàn)化是與其周長(zhǎng)的變(biàn)化成(chéng)反(fǎn)比的。同(tóng)時,由(yóu)于拉力的作(zuò)用(yòng),o型圈(quān)的截(jié)面形狀也會(huì)發生變化,就(jiù)表現為其(qí)高度(dù)的減(jiǎn)小。此(cǐ)外,在(zài)表面張力(lì)作用(yòng)下,o型圈的(de)外表面變(biàn)得(dé)更平了(le),即截(jié)面高度略(luè)有減小(xiǎo)。這(zhè)也是(shì)o型密(mì)封圈壓縮應力(lì)松弛的一(yī)種表現(xiàn)。
o型(xíng)圈截(jié)面變(biàn)形的程(chéng)度(dù),還取決(jué)于o型圈(quān)材質的硬度。在(zài)拉伸(shēn)量相同的(de)情況(kuàng)下(xià),硬度大(dà)的o型圈,其截面高度(dù)也減小較(jiào)多,從這(zhè)一(yī)點看,應該按照使用(yòng)條件(jiàn)盡量(liàng)選用低硬度(dù)的材質(zhì)。在液體壓(yā)力和(hé)張力的作用下(xià),橡膠(jiāo)材料(liào)的o型(xíng)密封(fēng)圈也會逐(zhú)漸發生塑性(xìng)變(biàn)形,其(qí)截面高度會相應減小,以(yǐ)緻最(zuì)後失去密(mì)封(fēng)能力。
2).溫度與o型圈(quān)馳張過(guò)程(chéng)的關系
使(shǐ)用溫度是(shì)影響(xiǎng)o型圈永久變形的另(lìng)一個(gè)重要(yào)因素(sù)。高溫會加(jiā)速橡膠材料的(de)老化(huà)。工作溫(wēn)度(dù)越高,o型圈(quān)的壓縮永久變形(xíng)就(jiù)越大。當永(yǒng)久變形大(dà)于40%時,o型圈就失去了密(mì)封能力(lì)而發生(shēng)洩(xiè)漏。因壓(yā)縮變(biàn)形而在(zài)o型圈的橡膠材(cái)料中形(xíng)成(chéng)的初(chū)始應力值(zhí),将随(suí)着o型(xíng)圈的馳張(zhāng)過程和(hé)溫度下(xià)降的(de)作用(yòng)而逐(zhú)漸降(jiàng)低以緻消(xiāo)失。
溫度在零下(xià)工作的o型圈,其初始壓縮可能(néng)由于溫度的急劇降低而(ér)減小(xiǎo)或完全消失。在-50~-60℃情況(kuàng)下,不耐低(dī)溫(wēn)的橡(xiàng)膠材料(liào)會完全(quán)喪失初(chū)始應力;即使耐低溫的(de)橡膠材(cái)料,此時的初始應力也不會大(dà)于20℃時初始(shǐ)應力(lì)的25%。這(zhè)是(shì)因為o型(xíng)圈的初(chū)始壓縮量取(qǔ)決于線脹系數。所以(yǐ),選取(qǔ)初始壓縮量時(shí),就必須(xū)保證在(zài)由于馳張過程(chéng)和溫度下(xià)降而(ér)造成(chéng)應(yīng)力(lì)下降(jiàng)後仍有(yǒu)足(zú)夠的(de)密封能力。溫度(dù)在零下(xià)工作的o型圈(quān),應特别注(zhù)意橡膠(jiāo)材料的(de)恢複(fú)指數和變形指(zhǐ)數。
綜(zōng)上所述,在設計上應(yīng)盡量(liàng)保(bǎo)證o型圈(quān)具有适宜的工(gōng)作溫度(dù),或選用耐高、低溫的o型圈材料,以延長(zhǎng)使用壽命。
3).介質(zhì)工作壓力與永(yǒng)久變(biàn)形
工作介質的壓力(lì)是引(yǐn)起o型圈永久變(biàn)形的主(zhǔ)要因素(sù)。現代液(yè)壓設備(bèi)的工作壓(yā)力正(zhèng)日益(yì)提高(gāo)。長時(shí)間的高壓作用會使o型圈發生永久(jiǔ)變形(xíng)。因此(cǐ),設計(jì)時應根據(jù)工作(zuò)壓力(lì)選用(yòng)适當的(de)耐(nài)壓橡(xiàng)膠材(cái)料。工(gōng)作壓(yā)力越高,所用材(cái)料的硬度(dù)和耐(nài)高壓(yā)性能(néng)也應越高。
為了改善(shàn)o型圈(quān)材料的耐(nài)壓性能,增加材(cái)料的(de)彈性(特别(bié)是增加(jiā)材(cái)料在(zài)低溫下的(de)彈性(xìng))、降低材料(liào)的壓(yā)縮永久變形,一(yī)般需要改進材料的(de)配方(fāng),加入增塑劑。但是,具有增(zēng)塑劑的o密(mì)封形圈,長(zhǎng)時間(jiān)在工(gōng)作介質中(zhōng)浸泡,增塑(sù)劑會(huì)逐漸被工(gōng)作介(jiè)質吸(xī)收,導緻o型(xíng)密封圈(quān)體積收(shōu)縮,甚至可(kě)能使o型密封圈(quān)産生(shēng)負壓縮(suō)(即在o型密封(fēng)圈和被密(mì)封(fēng)件(jiàn)的表面之(zhī)間出(chū)現間隙(xì))。因(yīn)此,在計算(suàn)o型密(mì)封圈壓(yā)縮量和(hé)進行(háng)模具(jù)設計時(shí),應充分考慮(lǜ)到這些收(shōu)縮量。應使壓制出的o型密封(fēng)圈(quān)在工作介質中浸泡(pào)5~10晝夜後仍能保(bǎo)持必要的尺寸(cùn)。
o型圈材料(liào)的壓縮永(yǒng)久變(biàn)形率(lǜ)與溫度有關。當(dāng)變形(xíng)率在(zài)40%或更(gèng)大時(shí),即會出現(xiàn)洩漏(lòu),所以(yǐ)幾種膠料(liào)的耐(nài)熱性(xìng)界限(xiàn)為(wéi):丁腈橡膠70℃,三元(yuán)乙丙橡(xiàng)膠100℃,氟橡膠140℃。因(yīn)此各國對o型圈的(de)永久變形作了(le)規定。中(zhōng)國标準(zhǔn)橡膠材料(liào)的o型(xíng)圈在不同溫度下的尺寸(cùn)變化(huà)見表(biǎo)。同一材料(liào)的o型圈,在同一(yī)溫(wēn)度下,截(jié)面直徑大的o型圈壓(yā)縮永久變形率(lǜ)較低。
在油中的(de)情況(kuàng)就不(bú)同了。由(yóu)于(yú)此時o型圈(quān)不與(yǔ)氧氣(qì)接觸,所以上述(shù)不良(liáng)反應(yīng)大(dà)為(wéi)減少(shǎo)。加之又通(tōng)常會(huì)引起(qǐ)膠(jiāo)料有一定的膨脹,所以(yǐ)因溫度引(yǐn)起的(de)壓縮永(yǒng)久變形(xíng)率将被抵消。因(yīn)此,在油(yóu)中的耐(nài)熱性大為(wéi)提高(gāo)。以丁腈橡膠為例,它的工(gōng)作溫度可(kě)達120℃或更高(gāo)。
2、間(jiān)隙(xì)咬傷(shāng)
被密(mì)封的(de)零(líng)件存在着幾(jǐ)何精(jīng)度(包括圓(yuán)度、橢(tuǒ)圓度(dù)、圓柱(zhù)度、同軸度等)不良、零件之(zhī)間不同心(xīn)以(yǐ)及高壓(yā)下内徑脹(zhàng)大等現象,都會(huì)引起密封(fēng)間隙(xì)的(de)擴大和間隙(xì)擠出現(xiàn)象的加(jiā)劇。o型(xíng)圈的硬度(dù)對間隙(xì)擠出現象也(yě)有明(míng)顯的(de)影響。液體或氣(qì)體的壓力(lì)越高,o型圈(quān)材料硬度(dù)越小(xiǎo),則o型圈的間隙(xì)擠出現象越嚴重(zhòng)。
防(fáng)止間(jiān)隙咬(yǎo)傷的措(cuò)施(shī)是,對o型密(mì)封圈(quān)的硬(yìng)度和密封(fēng)間隙加(jiā)以嚴格(gé)的控制(zhì)。選用硬(yìng)度合适的(de)密封材料(liào)控(kòng)制(zhì)間隙(xì)。常用的o型(xíng)圈的(de)硬度範圍是hs60~90。低硬度者用于低(dī)壓,高(gāo)硬(yìng)度(dù)者(zhě)用(yòng)于高壓。配用适當的密封圈保(bǎo)護擋(dǎng)圈,是(shì)防止(zhǐ)o型圈(quān)被(bèi)擠入間(jiān)隙的有效方法。
3、扭曲現象(xiàng)
扭曲(qǔ)是指o型(xíng)圈沿周向發(fā)生扭轉的(de)現象,扭曲(qǔ)現象一般(bān)發生在動(dòng)密封狀态(tài)。
o型圈如果裝(zhuāng)配的妥(tuǒ)善,并且使用條(tiáo)件适當,一(yī)般不(bú)大容(róng)易在往複(fú)在往(wǎng)複運動狀态下産(chǎn)生滾動或扭(niǔ)曲,因(yīn)為o型圈與溝槽的接(jiē)觸面積大于在(zài)滑動表面(miàn)上的(de)摩擦(cā)接(jiē)觸面積(jī),而且(qiě)o型圈(quān)本身(shēn)的抗拒(jù)能力原(yuán)來就能阻止扭(niǔ)曲。摩擦力的分(fèn)布也趨(qū)向保持o型圈在其溝槽(cáo)中(zhōng)靜(jìng)止不(bú)動,因(yīn)為靜摩擦大(dà)于滑動摩(mó)擦,而且溝槽表面的粗(cū)糙度一(yī)般不如滑動(dòng)表面(miàn)的粗(cū)糙度。
引起扭曲損傷的原因很(hěn)多,其中(zhōng)最(zuì)主要(yào)的是(shì)由(yóu)于活塞(sāi)、活塞杆和(hé)缸筒(tǒng)的間(jiān)隙不(bú)均勻、偏心過大(dà)、o型圈(quān)斷面直徑不均(jun1)勻等(děng)造成(chéng),由于(yú)造成(chéng)o型圈在一(yī)周多受的(de)摩擦力不(bú)均勻(yún),o型圈(quān)的某些部分摩擦過(guò)大,發生扭(niǔ)曲(qǔ)。通常(cháng),斷(duàn)面尺寸較(jiào)小的o型(xíng)圈(quān),容易産生摩擦(cā)不均勻造成扭(niǔ)曲(運動(dòng)用o型圈比固(gù)定(dìng)用o型圈(quān)的斷(duàn)面直(zhí)徑大就是(shì)這個(gè)道理(lǐ))。
另外,由(yóu)于密封溝槽(cáo)存在着同(tóng)軸度偏差(chà),密封(fēng)高度(dù)不(bú)相等(děng)以(yǐ)及o型(xíng)圈截(jié)面直徑不均勻等現(xiàn)象,可(kě)能使得o型圈的一部分壓(yā)縮過大,另一(yī)部(bù)分過(guò)小或(huò)不受(shòu)壓縮。當(dāng)溝槽存(cún)在偏心即同軸(zhóu)偏差大(dà)于(yú)o型圈(quān)的壓縮量時(shí),密(mì)封會完全(quán)失效(xiào)。密封(fēng)溝(gōu)槽同軸度偏差大的另一個害(hài)處(chù)是使(shǐ)o型密封圈(quān)沿圓周壓縮不均。
此(cǐ)外還有由于o型(xíng)圈截面直徑、材(cái)質(zhì)硬(yìng)度、潤(rùn)滑油(yóu)膜厚(hòu)度等的(de)不(bú)均以及(jí)密(mì)封軸表面(miàn)粗糙度等(děng)因素(sù)的影響,導(dǎo)緻o型圈的(de)一部(bù)分沿工(gōng)作表面(miàn)滑動(dòng),另(lìng)一部分(fèn)則發生(shēng)滾(gǔn)動,從而造(zào)成o型(xíng)圈的(de)扭曲。運動用o型(xíng)圈很(hěn)容易因扭(niǔ)曲而損壞,這是(shì)密封(fēng)裝置發生(shēng)損壞(huài)和(hé)洩漏的重要原因(yīn)。因此(cǐ)提高密封(fēng)溝槽的加工精(jīng)密度(dù)以及(jí)減(jiǎn)小偏心(xīn)是保(bǎo)證(zhèng)o型圈具有可靠(kào)的密封(fēng)性和(hé)壽命的重(zhòng)要因素(sù)。
安(ān)裝密(mì)封圈(quān)不應是它(tā)處于扭(niǔ)曲(qǔ)狀态(tài)。假(jiǎ)如(rú)在安(ān)裝時(shí)就被扭曲,則(zé)扭曲損傷就(jiù)會很(hěn)快發生(shēng)。在(zài)工作(zuò)中,扭曲現象會(huì)将o型圈切(qiē)斷,産(chǎn)生大量漏(lòu)油,而(ér)且切斷的(de)o型圈會混到液壓系(xì)統的(de)其他部位(wèi),造成(chéng)重大事故(gù)。
為了防止o型圈(quān)的扭(niǔ)曲(qǔ)損(sǔn)傷,在(zài)設計時應注意(yì)以下幾點:
1).o型圈安裝(zhuāng)溝槽(cáo)的同心度(dù)大小,應從(cóng)加工(gōng)方便(biàn)和不(bú)産生(shēng)扭(niǔ)曲現象(xiàng)兩個(gè)方面來考(kǎo)慮。
2).o型圈斷面尺(chǐ)寸應均勻,并且(qiě)在每(měi)次(cì)安(ān)裝時(shí)都應在密封部位充(chōng)分塗(tú)抹潤(rùn)滑油或潤滑脂(zhī)。有時也可以(yǐ)采(cǎi)用浸透潤滑油的氈圈式加油(yóu)裝置(zhì)。
3).加大o型圈的截面直(zhí)徑,動(dòng)密封(fēng)用o型(xíng)密封(fēng)圈的截面直徑(jìng)一般應(yīng)大于靜密封(fēng)用(yòng)o型圈;此(cǐ)外,o型圈應(yīng)避免用作(zuò)大直徑活(huó)塞的密(mì)封(fēng)。
4).在低壓下(xià)也産生扭(niǔ)曲損傷(shāng)時(shí),可使(shǐ)用密(mì)封圈保護(hù)擋圈。
5).降低(dī)缸筒和活塞杆的表(biǎo)面粗糙度。
6).采用低摩(mó)擦系數的(de)材料制(zhì)作(zuò)o型密封圈。
7).可(kě)用不易(yì)産生(shēng)扭曲(qǔ)現象(xiàng)的密封圈代替(tì)o型圈(quān)。
4、磨粒(lì)磨損現象
當密封的(de)間隙(xì)具有相對運動(dòng)時,工作環(huán)境中的(de)灰塵和(hé)沙粒(lì)等被粘附(fù)在活塞杆表面,并随着活塞杆(gǎn)的往複(fú)運(yùn)動與(yǔ)油膜一起被帶(dài)入缸(gāng)内,成為侵(qīn)入o型密封圈表(biǎo)面的磨粒,加速(sù)o型圈(quān)的磨(mó)損,以緻其失去密封(fēng)性。為(wéi)了(le)避(bì)免這(zhè)種情況發生,在(zài)往複運動式(shì)密(mì)封裝置(zhì)的(de)外伸(shēn)軸端處必(bì)須使(shǐ)用防(fáng)塵圈(quān)。
5、滑動(dòng)表(biǎo)面對o型圈的(de)影響
滑(huá)動(dòng)表(biǎo)面(miàn)的粗糙度是影(yǐng)響o型圈表(biǎo)面摩擦與(yǔ)磨損(sǔn)的直(zhí)接因素。一(yī)般地(dì)說,表面光潔摩(mó)擦與磨損就小(xiǎo),所以滑動表面的粗糙度(dù)數值往往很低(ra0.2~0.050μm)。但是(shì),試驗表(biǎo)明(míng),表面粗糙(cāo)過低(dī)(ra低于(yú)0.050μm)又會給摩(mó)擦與(yǔ)磨損(sǔn)帶來不利的影響。這是因(yīn)為微(wēi)小的表面(miàn)凹凸不平,可以(yǐ)保持(chí)必(bì)要的潤(rùn)滑油膜。因(yīn)此要選擇(zé)适當的表(biǎo)面要求。
滑(huá)動(dòng)表(biǎo)面的(de)材質(zhì)對o型(xíng)圈的壽命也有(yǒu)影響。滑(huá)動表面(miàn)材質的硬(yìng)度越(yuè)大、耐磨性越高(gāo)、保持光潔(jié)的能(néng)力就越(yuè)強,o型圈(quān)的壽命(mìng)也(yě)就越(yuè)長。這也是液壓(yā)缸活塞杆(gǎn)表(biǎo)面鍍鉻的(de)重要原(yuán)因。同理(lǐ)可(kě)以解釋具有同樣粗(cū)糙(cāo)度(dù)的用銅、鋁(lǚ)合金制(zhì)成的滑(huá)動表(biǎo)面(miàn)比(bǐ)鋼制(zhì)滑動表面(miàn)對密封圈(quān)的摩(mó)擦與磨損(sǔn)更為嚴重(zhòng),低硬(yìng)度、大壓(yā)縮量的(de)密封(fēng)圈不(bú)如高硬(yìng)度(dù)、小壓(yā)縮量的(de)密(mì)封圈(quān)耐用(yòng)的情況。
6、摩(mó)擦力(lì)與o型圈的(de)應用(yòng)
在動(dòng)密封(fēng)裝置中(zhōng),摩擦與(yǔ)磨損(sǔn)是o型(xíng)圈損壞的(de)重要影響(xiǎng)因素。磨損(sǔn)程度(dù)主要取決于摩(mó)擦力(lì)的大(dà)小。當(dāng)液體(tǐ)壓力微小時,o型圈摩擦力的大(dà)小取決于(yú)它的預壓(yā)縮量(liàng)。當工作(zuò)液體承(chéng)受壓(yā)力時,摩擦(cā)力随(suí)之工作壓(yā)力的增加(jiā)而增大。在(zài)工(gōng)作(zuò)壓力(lì)小于(yú)20mpa的情(qíng)況下(xià),近似地呈(chéng)線形關系。壓(yā)力大于(yú)20mpa時,随着壓力的(de)增加,o型圈與金屬表面(miàn)接觸面(miàn)積的增(zēng)加也逐(zhú)漸緩慢,摩擦力(lì)的增加也相應(yīng)緩慢。在(zài)正(zhèng)常情況下,o型圈的使用壽命随着液體壓(yā)力的升高将會近似(sì)的呈(chéng)平方關系(xì)而減(jiǎn)小。
摩擦(cā)力的增(zēng)加,使(shǐ)得旋轉或往複(fú)運動的軸(zhóu)與o型密封圈之(zhī)間産生大量的摩擦熱。由于多(duō)數o型(xíng)圈都是用(yòng)橡膠制成的,導(dǎo)熱性極差。因此(cǐ),摩擦熱(rè)就(jiù)會引(yǐn)起橡膠的(de)老化(huà),導緻o型圈實效(xiào),破壞其密封性(xìng)能。摩擦還(hái)會引(yǐn)起o型圈表(biǎo)面損(sǔn)傷,使壓縮量減(jiǎn)小。嚴(yán)重(zhòng)的摩擦(cā)會很快引起o型(xíng)圈的表(biǎo)面損壞(huài),失去(qù)密封性。作(zuò)氣動往複運動用密(mì)封時,摩擦熱還(hái)會(huì)引起粘(zhān)着,造成摩擦力(lì)進一步增加。
運(yùn)動用密(mì)封(fēng)在低速運(yùn)動時,摩擦(cā)阻(zǔ)力還是(shì)引起爬行(háng)的一個因(yīn)素,影(yǐng)響元(yuán)件和系統的工(gōng)作性(xìng)能。所以對(duì)運動(dòng)密封(fēng)來說,摩擦(cā)性是重要性(xìng)能(néng)之一(yī)。摩擦(cā)系數(shù)是摩擦特(tè)性的一個評價指标(biāo),合成(chéng)橡膠摩擦(cā)系數(shù)較大,由于密封在運動狀(zhuàng)态時,通常處于(yú)工作(zuò)油(yóu)液(yè)或潤(rùn)滑(huá)劑(jì)參與的混(hùn)合潤滑狀(zhuàng)态,摩(mó)擦系(xì)數一般在(zài)0.1以下。摩(mó)擦力的(de)大小在很大程(chéng)度上取決于被(bèi)密封件的表(biǎo)面(miàn)硬度與表(biǎo)面粗糙度。
7、焦耳熱效應
橡膠材(cái)料的焦(jiāo)耳(ěr)熱效應,是(shì)指處于拉(lā)伸狀态的(de)橡(xiàng)膠遇熱(rè)産生收縮的現(xiàn)象。在安(ān)裝(zhuāng)o型圈(quān)時(shí),為(wéi)了使它在(zài)密封(fēng)溝槽内不(bú)産生竄(cuàn)動,在用(yòng)作往複(fú)運動密(mì)封時(shí),不産(chǎn)生扭(niǔ)曲現象,一(yī)般使(shǐ)它處于某種程度的(de)拉伸狀态(tài)。但如果将這種安裝方法用于(yú)旋轉(zhuǎn)運動(dòng),就會(huì)産生不良的結果。本來已(yǐ)經緊(jǐn)箍在旋(xuán)轉軸上(shàng)的o形(xíng)密(mì)封圈,因旋轉運動産生(shēng)的摩擦熱(rè)而收(shōu)縮,進而使這種(zhǒng)緊箍(gū)力(lì)增(zēng)大,這(zhè)樣,産生摩擦熱(rè)→收(shōu)縮→緊箍力增(zēng)大→産生摩擦熱→……,如此(cǐ)反複循環,就大大(dà)地促進(jìn)了橡(xiàng)膠的老化(huà)和磨損。