往复运动橡胶O形密封圈密封机制及其特性的研究_陈庆

Study of Seal Mechanism ＆ Characteristic for Rubber Oring in Reciprocating Motion
Chen Qing1 Chen Liqiang2 Kang Bo2
（ 1. Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin of Jilin Province 132022 ， China； 2. Jilin Mengxi Engineering Management Co． ， Ltd． ， Jilin of Jilin Province 132021 ， China） ring in reciprocation motion were studied， the factors inAbstract： The seal mechanism and characteristic of rubber Othe failure cause was analyzed， which provides fluence seal characteristic and service life of rubber Oring were discussed， a reference for the design and use of rubber Oring． ring； seal mechanism； contact stress； motive pressure effectiveness Keywords： reciprocation motion ； rubber OO 形密封圈主要是用于静态和动态密封，特别是 用于往复轴的密封 。O 形密封圈即圆形截面的密封垫 圈，是一种普遍而通用的密封件且应用历史悠久，橡 胶 O 形圈是最常见的弹性体密封件，它除了用作静 密封件外，还广泛用作液压 、气动往复运动的密封 。 影响橡胶 O 形密封圈密封性能的因素很多，但 归根结底要从密封机制着手，探求实现密封的要素， 影响密封性能的因子，从而进行科学合理设计和正确 ［1 － 2 ］ 。 使用，并在保证密封前提下，延长其使用寿命 1 橡胶 O 形圈自密封机制 “自动密封 ” 或称 “自密封 ” 是依靠弹性体材料 的弹性、并存在初始装配过盈量或预加载荷来实现 的，可以通过一矩形截面来说明其原理 。如图 1 所示 密封环在自由状态下的截面初始厚度为 d ，当安装在 深度为 t 的沟槽内时，被压缩量为 Δd，即密封环与 安装空间的过盈量 。因此，在安装之后，介质加压之 前，密封接触表面受到预载荷的作用，或者说产生了 接触应力 σ0 ，此接触应力并不像螺栓法兰连接中密 封垫片中的初始预紧力那样要求很大 。
［5 ］ ［3 － 4 ］
方向运动，由压力分布，通过无限长雷诺方程得： U h h h3 p + （ 5） = 2 x t x 12 η x 式中： x 方向为杆运动方向； h 为膜厚度； p 为液体 压力； η 为液体黏度； U 为流体相对运动速度； t 为 时间 。 h p 作静态的解，忽略挤压项，即 = 0 ， = 0 时 t x 液膜为平均液膜，即 h m 。于是： h3 p = 6 μ U（ h － h m ） （ 6） x
图 1 弹性体密封受介质压力作用后的接触应力 Fig 1 Contact stress of elastomer in medium pressure
在操作过程中，流体压力 p 作用在密封环暴露于 介质的表面，使得密封面的接触应力增加到 σ p （ 如 图 1 所示） 。密封面的接触应力 σ p 超过了被密封的流 体压力 p，从而实现了密封 。 接触应力 σ p 与介质压 力的关系可通过三维应力应变关系获得 。 1 εθ = ［ σ θ － μ（ σ z + σ r） ］ E （ 1） 1 εr = ［ σ r － μ（ σ z + σ θ） ］ E 式中： σ θ 和 ε θ 、σ r 和 ε r 、σ z 分别为介质压力 p 作用 下产生的环向应力和应变 、径向应力和应变 、轴向应 力； μ 为弹性体材料的泊松比 。
{
收稿日期： 2010 － 11 － 17 作者简介： 陈庆 （ 1964 —） ，男，教授，主要从事教育教学工作 mail： chenqing0787@ 126. com． 和流体密封技术研究． E-
由于弹性体置于相对刚性的封闭的腔体内，故： ε θ = 0 ，ε r = 0 ，σ z = σ p － σ0 。由此可得： μ p （ 2） σ p = σ0 + 1 －μ 对于弹性体材料 μ≈0. 5 ，代入式 （ 2 ） 得：
2. 2
弹性流体动压效应 雷诺方程是描述流体润滑力学特性的微分方程， 是流体动压润滑和流体动密封的基本方方程，仅在 x
Fra Baidu bibliotek
图3 Fig 3
往复运动中橡胶 O 形圈的泄漏
Leakage of rubber Oring in reciprocating motion （ a） medium pressure on a side of Oring； （ b） medium into convergence shape slit； （ c） medium intruding first concavity of Oring
参考文献
【1 】 顾永泉． 流体动密封［ M］ ． 东营： 石油大学出版社， 1990． 【2 】 孟敬荣． 中国密封产品手册［M］ ． 北京： 化学工业出版社，
式中： K 为系数， K = 2. 1 × 10 ； L 为被密封面行程 长度； S 为密封面接触宽度； p 为介质压力； v y 为被 密封面的运动速度； R a 为表面光洁度参数； η 为介 质动黏度 （ 随温度而变） ； v c 为橡胶的复原速度 （ 随 温度而变） 。
O 形圈在往复运动式密封结构的工作能力，取决 于工作介质的温度和压力 、往复杆的移动速度和表面 光洁度 、静接触的持续时间 。随着压力和杆的移动速
度增大介质泄漏量会相应增大，如图 4 所示 。通过实 验研究，得出了一个关于介质泄漏量与运动速度和接 触面光洁度 、 介质温度和压力之间关系的经验关系
78
（ 1. 吉林化工学院
庆
1
陈利强
2
康
博
2
吉林吉林市 132022 ； 2. 吉林梦溪工程管理有限公司
吉林吉林市 132021 ）
檿檿檿
檿檿檿
摘要： 通过对 O 形橡胶圈在往复运动中密封机制及其特性研究，探讨影响密封性能和使用寿命的重要因素，分析 密封失效原因，为指导科学合理设计和正确使用 O 形橡胶圈密封提供参考。 关键词： 往复运动； 橡胶 O 形圈； 密封机制； 接触应力； 动压效应 中图分类号： TB42 文献标识码： A 文章编号： 0254 － 0150 （ 2011 ） 6 － 076 － 3
图4 Fig 4
橡胶 O 形密封圈泄漏量 Leakage rate of rubber Oring
2002． 【3 】 H · 休戈 · 布赫特． 工业密封技术［ M］ ． 北京： 化学工业出 1988． 版社， 【4 】 蔡仁良． 过程装备密封技术［M］ ． 北京： 化学工业出版社， 2006． 【5 】 陈匡民， M］ ． 成都： 成都科技 董宗玉， 陈文梅． 流体动密封［ 1990． 大学出版社， 【6 】 刘印文， M］ ．北 刘振华， 刘涌． 橡胶密封制品实用加工技术［ 2002． 京： 化学工业出版社， 【7 】 中国机械工程学会设备与维修工程分会 ． 密封使用与维修 M］ ． 北京： 机械工业出版社， 2005． 问答［ 【8 】 X· 阿弗鲁辛科． 橡胶密封［M］ ． 北京： 机械工业出 版 社， 1983．
式，式中考虑了橡胶的复原速度对往复运动下的 O ［8 ］ 形密封圈密封能力的影响 ，即：
润滑与密封
第 36 卷
O 形环在自由状态下的截面直径， mm； h0 为 O 形环 槽底至被密封表面的距离，即 O 形环被挤压后的截 面高度，mm） 、 拉伸量 （ α = d + d0 ，其中 d 为轴或 d1 + d0
2011 年第 6 期
陈
庆等： 往复运动橡胶 O 形密封圈密封机制及其特性的研究
77
（ 3） σ p = σ0 + p 这表明只要弹性体材料的泊松比 μ 维持在 0. 5 附 近 （ 弹性体在其玻璃化温度以上，即处于高弹态时 就几乎都具有这一特征） ，密封的接触应力 σ p 总比 介质压力 p 高 σ0 ，因此具有自动适应流体压力变化 。 的能力 2 O 形环的基本结构及作用原理 2. 1 O 形密封圈的接触应力 当 Δp （ 介质压差） 改变时，密封环受动载荷作 用下在槽内移动并发生复杂的变形 。 当 p 开始作用 时，由原先的中间位置向右挤压，由于有摩擦力作 用，形状改变历经几个阶段 。 接触应力 σ p 也发生相 应的变化，有时形成间隙造成泄漏而丧失密封性 。 但最终达到如图 2 所示的结构 。实现密封的基本条件 是 σ max ＞ p（ p、σ max 分别为介质压力和径向最大接触 应力） ，即： （ 4） σ p = σ0 + p ＞ p
桐庐宇鑫成功研发出新型摩擦材料刹车片
G = KπDCLS
槡
pv y R a η vc
－4
（ 8）
杆径，mm； d1 为 O 形 环 的 内 径， mm ） 、 接 触 宽 度 （ l0 = （ 4 ε2 + 0. 34 ε + 0. 31 ） d0 ） 、 O 形 环 沟 槽 尺 寸 、 沟槽间隙等 。此外，O 形环用作往复动密封时，起动 摩擦阻力大，易产生扭曲，特别是偏心度较大 、间隙 不均匀且运动速度较高的情况下更容易扭曲破坏 。随 着直径的增大，扭曲倾向增加 。尤其在润滑较差的情 况下 （ 例如在汽油中） ，在轴或杆径等于 30 mm 时已 发生扭曲，泄漏量随介质压力 、往复运动速度及介质 动黏度而增加 。因此，O 形橡胶圈只是在较轻工况下 使用较为合理 。
2011 年 6 月 第 36 卷 第 6 期
DOI： 10. 3969 / j. issn. 0254 － 0150. 2011. 06. 019
润滑与密封
LUBRICATION ENGINEERING
June 2011 Vol. 36 No. 6
往复运动橡胶 O 形密封圈密封机制及其特性的研究
陈
(
)
( )
设压力分布为高斯分布，解三次方程，其唯一的 定值解由正双根得出最大压力点膜厚： 1 /2 8 μU dp hm = （ 7） 9 dx max dp 式中： 是压力上升 、下降时最大值的绝对值 。 d x max 3 在动密封中的应用 橡胶 O 形密封圈用作往复运动时，往复运动的 杆很容易将液体带到 O 形圈和其之间，导致发生黏 ［6 － 7 ］ 。 液体压力只作用在 O 形圈的一侧 （ 见 稠泄漏 图 3 （ a） ） 。O 形圈与杆接触部位是凸凹不平的，并
4
结束语 通过对橡胶 O 形密封圈在往复运动中密封机制 及其特性研究， O 形橡胶密封圈具有双向密封的能 力，可用作静密封和动密封 。在往复运动中密封液压 流体，由于动压效应必然会产生泄漏，其泄漏量与众 多因素有关，因此，为使 O 形密封圈正常使用并提 高其使用寿命，合理设计密封结构尤为重要，其中包 d0 － h0 × 100 % ，其中 d0 为 括 O 形圈的压缩率 （ ε = d0
(
)
图2 Fig 2
O 形密封圈的接触应力分布
Profiles of contact stress of Oring seal
非每一点都与金属表面接触，当往复杆向右运动时， 黏附在杆上的油被带到收敛性狭缝 （ 见图 3 （ b ） ） 。 由于流体动压效应，这部分油的压力比 p 大，当它大 于 O 形圈与杆的接触压力时，油被挤入 O 形圈的第 一个凹坑处 （ 见图 3 （ c ） ） ，依次向右推移，油便沿 着杆运动方向流动 。当杆反向向左运动时，不可能将 带到外侧的油全部带回，残留在外侧的油液则形成了 泄漏量，随着往复次数的增多和行程距离的增大，泄 漏量积累增加 。