O形圈靜密封設(shè)計(jì)研究

摘要：在我公司生產(chǎn)的石油儀器產(chǎn)品中，經(jīng)常會(huì)用到O形圈靜密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但對(duì)產(chǎn)品耐壓指標(biāo)和可靠性的影響很大。本文通過(guò)對(duì)O形圈靜密封結(jié)構(gòu)的故障機(jī)理、加工工藝性、設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，提出了適用于公司現(xiàn)狀的O形圈靜密封設(shè)計(jì)規(guī)則，為以后的設(shè)計(jì)工作提供了借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞：O形圈 靜密封 故障機(jī)理 設(shè)計(jì)規(guī)則

1、概述

在我公司生產(chǎn)的石油儀器產(chǎn)品中，經(jīng)常會(huì)用到O形圈靜密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但對(duì)產(chǎn)品耐壓指標(biāo)和可靠性的影響很大。因此，通過(guò)對(duì)故障機(jī)理、加工工藝性、設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，確定一種適用于公司現(xiàn)狀的O形圈靜密封設(shè)計(jì)規(guī)則，在可靠性設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)角度具有重要意義。

2、常用密封結(jié)構(gòu)介紹

石油儀器中常用的靜密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)為連接方便、尺寸緊湊，大量用于高壓密封部位。其常見(jiàn)故障是粘扣和密封失效。

圖1

3、故障機(jī)理分析

3.1密封失效原因分析

密封失效表現(xiàn)為產(chǎn)品進(jìn)水或標(biāo)定時(shí)漏油，其直接原因是O形圈受壓變形后產(chǎn)生的彈性不足以補(bǔ)償零件表面缺陷，沒(méi)有起到封嚴(yán)作用。而導(dǎo)致這種問(wèn)題的根本原因有四個(gè)方面：一是拉伸率或壓縮率選擇不合理，O形圈與密封面之間存在間隙；二是金屬零件密封面表面有嚴(yán)重缺陷，O形圈無(wú)法補(bǔ)償缺陷內(nèi)空隙；三是O形圈在裝配過(guò)程中切傷；四是溝槽間隙過(guò)大，在高壓下O形圈一部分?jǐn)D入溝槽間隙內(nèi)，被咬傷或剪切撕裂而造成擠出破壞。

3.2粘扣原因分析

因O形圈靜密封導(dǎo)致螺紋粘扣的原因主要有兩點(diǎn)：一是為保證耐壓指標(biāo)，配合間隙設(shè)計(jì)值偏小，不能補(bǔ)償零件同軸度偏差的影響，導(dǎo)致零件旋合過(guò)程中粘扣；二是O形圈的預(yù)緊力過(guò)大，旋合過(guò)程中零件受到徑向推力影響，發(fā)生干涉粘扣現(xiàn)象。

4、設(shè)計(jì)參數(shù)分析

4.1拉伸率

拉伸率的大小影響著O形圈與連接頭的貼合程度。按《航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》規(guī)定，拉伸率a的計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）。

式中：d0——溝槽內(nèi)直徑，單位mm；

d——自由狀態(tài)的O形圈內(nèi)直徑，單位mm；

W——自由狀態(tài)的O形圈截面直徑，單位mm。

在工作介質(zhì)為油時(shí)，《航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》要求拉伸率應(yīng)在1.03～1.04之間。需要注意的是零件的實(shí)際尺寸是有偏差的，如果極限尺寸條件下，拉伸率無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足上下限要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證下限指標(biāo)要求。這是因?yàn)镺形圈在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱膨脹，并且會(huì)產(chǎn)生永久壓縮變形。如果拉伸率過(guò)小，O形圈會(huì)和溝槽內(nèi)徑的表面分離，影響密封效果。

4.2壓縮率

拉伸率的大小影響著O形圈與連接管的貼合程度和O形圈的預(yù)緊力。按《航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》規(guī)定，壓縮率K的計(jì)算方法見(jiàn)公式（2）。

式中：D0——溝槽外直徑，單位mm。

按《航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》要求，在工作介質(zhì)為油時(shí)，壓縮率應(yīng)在15%～25%之間。但是根據(jù)實(shí)際使用效果看，這一取值范圍只是參考數(shù)值，并不能保證這一范圍內(nèi)的壓縮率都適用。現(xiàn)在分析壓縮率應(yīng)該只要能為密封圈提供預(yù)緊力即可，使用時(shí)在外界壓力作用下密封圈可以自密封。因此壓縮率可以適當(dāng)減小，以減小預(yù)緊力，降低粘扣和密封面劃傷的概率。但是減小的后的壓縮率應(yīng)保證在極限尺寸條件下密封圈有壓縮量。

4.3溝槽寬度

按《航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》要求，溝槽側(cè)壁對(duì)O形圈不應(yīng)擠壓，應(yīng)留有0.3W～0.5W的間隙。但我公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，為了縮短儀器長(zhǎng)度，縮小了溝槽寬度。如果O形圈變形后同時(shí)與溝槽的兩個(gè)側(cè)壁接觸，會(huì)增大預(yù)緊力，增加了質(zhì)量隱患。因此，在以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)增加溝槽寬度，消除額外的O形圈預(yù)緊力。

4.4溝槽間隙

溝槽間隙是密封設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，其數(shù)值可簡(jiǎn)單理解為密封面配合間隙的一半。溝槽間隙的大小直接決定了產(chǎn)品的耐壓能力，如果溝槽間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致O形圈受壓后發(fā)生剪切破壞。按照《航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》的介紹，膠料硬度為80～90，O形圈截面直徑為（1.9～3.5）mm時(shí)，為密封32MPa的壓力，溝槽間隙不應(yīng)大于0.07mm。在溝槽間隙上限值確定的情況下，還需要確定溝槽間隙的下限值。溝槽間隙下限值的作用是補(bǔ)償同軸度誤差。

如果耐壓指標(biāo)進(jìn)一步提高，理論上可以采用減小溝槽間隙和增加擋圈兩種辦法，優(yōu)先選用增加擋圈的密封方式。

4.5 O形圈材料

我公司常用的O形圈材料有試5171、5080、FX-6和FX-17。其中FX-17價(jià)格昂貴，氣體滲透率低，主要用于氣井用產(chǎn)品的密封。其它幾種膠料的選擇首先考慮溫度特性，對(duì)于溫度上限指標(biāo)在100℃以上的產(chǎn)品，應(yīng)選用FX-6橡膠；溫度下限指標(biāo)在-20℃以下的產(chǎn)品，應(yīng)選用丁腈橡膠。由于在同等尺寸情況下，較硬的O形圈可以承受更高的密封壓力，較軟的O形圈可以補(bǔ)償更大的尺寸偏差，所以壓力較高時(shí)應(yīng)選擇高硬度橡膠，壓力較低時(shí)可選擇低硬度橡膠。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，45MPa以上產(chǎn)品應(yīng)選用FX-6；45MPa以下產(chǎn)品宜選用5080；10MPa以下產(chǎn)品可選用試5171。

4.6密封面粗糙度

密封面的粗糙度指標(biāo)影響著密封面的表面質(zhì)量，如果過(guò)于粗糙，則O形圈難以有效補(bǔ)償密封面缺陷，會(huì)導(dǎo)致密封失效。根據(jù)目前使用情況分析，Ra0.8的粗糙度指標(biāo)屬于經(jīng)濟(jì)精度要求，加工難度不高，而且能滿(mǎn)足使用要求。

5、設(shè)計(jì)規(guī)則總結(jié)

綜上所述，確定以下幾條O形圈靜密封設(shè)計(jì)的規(guī)則，供以后設(shè)計(jì)借鑒：

a) a)100℃以上和45MPa以上的產(chǎn)品，優(yōu)選FX-6膠料，10MPa以下產(chǎn)品可選用試5171膠料，其它情況選用5080膠料；

b) b)O形圈拉伸率不能同時(shí)滿(mǎn)足上、下限要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證下限要求。

c) c)O形圈壓縮率盡量減小，保證極限條件下有壓縮量；

d) d)密封溝槽寬度保證足夠的寬度間隙；

e) e)選取合適的密封溝槽間隙，60MPa以上密封指標(biāo)增加擋圈；

f) f)密封面按粗糙度Ra0.8。

參考文獻(xiàn)：

[1]航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M].航天工業(yè)部第七○八研究所，1984年8月第一版

[2]中國(guó)航空材料手冊(cè)[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989年2月第一版