密封圈怎么选择？密封槽怎么设计？

齿轮

O型圈的规格是国标定好的吗？我现在有个件要密封，上面要开一个密封槽，这个密封槽是根据国标的密封圈规格去选择开槽的大小呢还是先开好槽再去让厂家去做密封圈呢，也就是说，我现在是不是想要多大的密封圈什么样的密封圈厂家就能做？

飞翔

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。

西北人

设计手册上有，什么样的圈配什么样的槽，按标准做，别人也好弄些。不要整些非标件出来。

祥云

飞翔 发表于 2022-2-6 08:20
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 ...

很感谢这份帖子，我设计做得少，测绘的比较多，最近也看了密封圈的设计手册， 密封圈从环槽内拆下来后收缩不少，根据的环槽的尺寸查标准根本不来事。

天使

飞翔 发表于 2022-2-6 08:20
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 ...

有一点没明白，请问，在这阵子的测绘中发现，密封圈是以拉伸的状态安装在轴槽内的，那么
根据公式压缩率“ 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）”
这里的d0如果是指的是自由状态下的线径，按公式W= (do-h)/do% ，在指定W的情况下 h 不就比按拉伸状态下的线径d0'的计算值 要来的大  ，这里的压缩率不就不对吗了。

还是说  压缩率公式中的 d0  安装到槽内的线径值呢（但是我想应该主要是拉伸吧，压缩几乎没有）

那如果是这样的话，那么这个按拉伸状态下的线径d0'该又怎么计算？按体积？而且拉伸状况下的截面并不规则。