O形圈密封结构设计技巧

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前言

在电机控制器的水冷盖板、进出水接头、控制器上盖等处经常需要设计O形密封圈来保证壳体内IP67级别的防护设计，在此，我以个人的设计经验辅以专业厂家的培训资料给大家全面介绍一下O形密封圈如何设计。

O形圈是给出压缩量使用类型的密封件中最具代表性的密封产品，通常被认作是一种界面形状为圆形的橡胶圈，是液压气动中应用最广泛的密封件。

现在是以合成橡胶为主流，而在十九世纪中叶作为蒸汽机的液压缸用密封件最早出现时是铸铁制的。之后，经过有弹力的天然橡胶的出现，进入二十世纪四十年代后至今，我们使用的合成橡胶材料成为主流，由此，密封的媒介也变得可密封空气、水、气体、油和各种各样的流体。

特别是在第二次世界大战中使用于飞机的液压系统，由于该密封件具有较高的可靠性，因此迅速使用于一般的空压、液压设备，且应用至今。要想维持高可靠性，当然需要进行适当的使用和设定，而此外材料的选择和质量也是非常重要的。

密封装置的分类

O形圈的设计用语

O形圈的选定方法

O形圈是截面为Ｏ形（圆形）的环状衬垫，一般安装于沟槽，使其适度压缩，作为油、水、空气、气体等各种流体的密封件使用。用途有固定用和运动用两种，如果不符合使用条件，则会发生切断、润胀、压缩裂纹等问题。要想维持长期不变的密封性，就必须选择符合使用条件的材料和尺寸。

O形圈的密封原理

O形圈的密封原理是被压缩的O形圈通过维持反弹力而进行密封。

O形圈用材料所要求的性质

O形圈通过挤压产生的应力发挥密封性能，因此在不发生异常变形的范围内，持有适度的应力是基本要求的性质。而且要求该基本性质在使用过程中也不失去。而具有这种性质的材料最合适的莫过于合成橡胶。但是，使一种材料具有所有这些性质是很困难的，因此需要根据用途分别使用相应的材料。

O形圈以外的断面形状

O形圈的材料特性

O形圈材料特性比较图

O形圈材料硬度

O形圈材料耐化学性

O形圈材料耐温性

O形圈材料选择原则

外界因素：

1，工作状态：动密封，静密封；连续工作，间断工作等；

2，工作介质：液体、气体还是两相流，及介质的物理化学性能，与介质相容性；

3，工作压力：介质工作压力高低，压力波幅，瞬时最大压力；

4，工作温度：瞬时温度和冷热交变温度；

5，成本来源：成本低，来源广。

O形圈的硬度硬度：

一般为70-90邵氏硬度，静密封选低值70，旋转密封取高值80，极少采用90。

O形圈的性能的特点

通则：O型圈密封是挤压式密封，设计主要内容为O型圈的压缩和拉伸。

a，压缩量过小：泄漏；

b，压缩量过大：应力松弛引起泄漏；

c，拉伸量过大：界面直径减少太大而引起泄漏；

d，压缩率超过40%以上可能导致产生压缩裂纹；

O形圈的设计原则

压缩率设计：M%=σ/W×100%

a，有足够的密封接触面积

b，避免永久变形

c，摩擦力尽量小

圆柱静密封：10%-15%，平面静密封：15%-30%。

往复运动密封：10%-15%。

旋转动密封：内径比轴大3%-5%，外径压缩率为3%-8%。

低摩擦用密封：一般为5%-8%，考虑介质和温度引起的膨胀，如超过15%，重新选材。

拉伸率设计：M%=(D1-d0)/d0×100%

O型圈装入轴中后，一般会有拉伸，如果无拉伸，装配时容易脱出，如拉伸过大，会导致O型圈截面积减少太多，出现泄漏。一般其拉伸量为1%-5%。

接触宽度设计：

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密封面的接触宽度都和O形圈的密封性能，其值过小会使密封性受到影响。O形圈变形后的宽度Bo（mm）与O形圈的压缩率M和截面直径W有关，可用下式计算：

Bo=（1/(1-M)-0.6M）W （M取10%~40%）

O形圈与密封面的接触面宽度b（mm）也取决于M和W：

b=( 4M^2+0.34M+0.31)W ( M取10%~40%)

一般情况，考虑到压力脉动和抽真空的需求，Bo应接近于槽宽，对于气体介质的密封，Bo应比槽宽小0.1-0.2mm；对于液体介质的密封， Bo应比槽宽小0.2-0.5mm。同时Bo不应大于槽宽，否则承压后可能会减小密封接触宽度，同时减小密封接触应力而导致泄漏。

有压力脉动时，槽宽过大会导致O型圈来回偏移，出现磨损；槽宽过小会导致O型圈填满沟槽，导致阻力过大

O形圈和沟槽尺寸的设定基准

O形圈截径的选定

下图所示为O形圈截径与压缩变形的关系。在压缩率一定的情况下，截径大则永久变形小，使用大截径的O形圈可得到稳定的密封性。特别在作为动密封使用时，截径大者具有防止扭转的效果。

沟槽部的表面粗糙度

沟槽部的表面粗糙度对如下内容有影响，因此需要进行管理。

运动用…摩擦・摩耗性。
固定用…通过对应面的橡胶追随（深入）的可靠的密封。

O形圈间隙和挤出

若由于密封流体的压力，O形圈由沟槽间隙咬入、挤出，则难以维持其性能。挤出由流体的压力和间隙及橡胶的硬度决定。其关系如右图所示，请参考。（该值的前提是没有因压力产生的沟槽变形的情况。若担心受压力使密封面发生变形，则请将间隙的值设计为参考值的75%左右。）

防止挤出的对策（关于挡圈的使用）

压力或间隙也超出极限时，请使用挡圈。从两个方向施加压力时，将挡圈安装于O形圈的两侧，从一个方向施加压力时，安装于施加压力的相反侧。挡圈的形状有无切口、斜切、螺旋三种，从使用效果来看，无切口的最好，而从安装点来看，斜切型比较方便。代表性的挡圈的材质和特点如下表所示。

O形圈的使用方法及其注意事项

内压用(a)的情况…使O形圈外径与沟槽尺寸D相符。
外压用(b)的情况…使O形圈内径与沟槽尺寸d相符。

内径比较大（φ150以上）而截径较细（φ3以下）时，会有下图所示的O形圈飞出、夹紧与一部分O形圈被切边的情况，为了防止装入时的咬入，请尽量使用截径较大的O形圈。
关于小径品，装入时会发生O形圈的飞出等问题，且有时装入困难，因此请充分予以确认。
在O形圈尺寸较小的范围（约φ30以下）内，安装中会发生不良，内压用时，使其略大于D尺寸（约0.2～0.3mm），外压用时略小于d尺寸（约0.2～0.3mm），这样安装就会比较轻松。