輪廓支承長度率Rmr(C)在O形密封中的應用

趙百川，余海，張杰，黃鵬，吳宙平

(1.萬向錢潮(上海)汽車系統有限公司，上海 201300；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

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輪廓支承長度率Rmr(C)在O形密封中的應用

趙百川1，余海2，張杰1，黃鵬1，吳宙平1

(1.萬向錢潮(上海)汽車系統有限公司，上海 201300；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

摘要：密封是液壓元件正常工作的基本要求，泄漏作為一種重要的失效模式也是液壓密封元件生產制造領域的研究重點。針對液壓密封部件在實際生產過程中出現過的粗糙度Ra、Rz與零件尺寸符合O形密封相關設計標準、但依然出現泄漏的一種O形圈密封失效模式進行研究,確定輪廓支承長度率Rmr(C)與O形密封失效的關系。

關鍵詞：O形圈;泄漏;輪廓支承長度率Rmr(C); 粗糙度

0引言

工程師一般在O形密封圈的設計過程中，非常關注表面粗糙度Ra[1]以及零件的幾何尺寸公差[2]對密封性的影響。在實際的生產與檢驗過程中，制造與質量部門對零件配合面的清潔度、O形密封圈的表面質量[3]以及生產現場由于裝配造成的零件表面剝落物等都進行嚴格的控制，來避免由于裝配細節造成的O形密封失效現象。但是，由于表面粗糙度Ra與零件的幾何尺寸不能全面衡量O形圈密封的密封性，在某液壓元件的試制現場依然出現了同一批次的若干零件的表面粗糙度Ra、相關零件的幾何尺寸均在設計標準要求范圍之內，在生產現場的5S與清潔度符合操作規范的情況下，同一臺檢測設備上出現了部分零件的O形密封失效、剩余零件O形密封合格的現象。實踐證明，單純依靠表面粗糙度Ra與零件的幾何尺寸不能完全解釋上述O形密封的失效現象。

1輪廓支撐長度率Rmr(C)[4]與O形密封

在表面粗糙度的測量過程中，輪廓支撐長度率Rmr(C)是評價零件表面微觀形狀特征的重要參數，在零件表面質量的評價過程中具有很高的實用價值。但是，長期以來由于只有少量儀器可以測量輪廓支撐長度率Rmr(C)， 使其應用受到了很大的限制。隨著工程技術的不斷發展，目前市場上很多便攜式粗糙度儀都已經具備輪廓支撐長度率的測量功能，這使得運用輪廓支撐長度率對重要零件表面進行大批量測量與評價成為可能。目前市場上粗糙度儀的內置測試標準比較多，在我國的國家推薦標準中輪廓支撐長度率的表示方式有兩種，其中GB/T 3505-2009 與GB/T3505-2000中輪廓支撐長度率用Rmr(C)表示，與ISO 4287-1997和JIS B0601-2001中輪廓支撐長度率的表示方法一致，而在GB/T 3505-1983中輪廓支撐長度率用tp[5]表示，等效于GB/T 3505-2009中的相對支撐長度率Rmr。文中所使用的測量數據的測試標準為JIS B0601-2001。

零件結合面的表面質量對于O形密封具有決定性影響，如果表面質量不高O形密封圈受預壓后，材料無法完全填滿零件間的縫隙，會造成密封零件的輕微泄漏并導致泄漏檢測設備出現不合格報警。對于O形密封圈，查詢國標GB/T 3452.3-2005推薦的O形密封配合溝槽和配合偶件表面的表面粗糙度要求，提供的Ra、Ry的相應參考標準如表1所示。

表1　　　　GB/T 3452.3-2005推薦的溝槽

注：括號內的數值為要求精度較高的場合應用。

Ra、Ry雖然可以衡量零件表面的加工質量，但只是體現了工件表面的微觀特征的幅度參數特性，無法反映工件表面微觀特性的間距參數特征，因而無法完全反映零件的密封性能。輪廓支撐長度率Rmr(C)作為混合特征參數并在評定長度ln內對表面微觀特征進行評價，因此，可以更好地解釋Ra合格工件的泄漏問題，并提供設計參考。

2O形密封失效分析

在某液壓密封元件的試制現場，同一批次的若干零部件在Ra與幾何尺寸公差滿足標準要求的前提下，出現了部分零件密封失效、剩余零件密封合格的情況。清查生產現場并通過內窺鏡觀察該液壓元件的內部情況，并未發現任何異物。針對密封合格零件與密封失效零件進行反復的部件互換實驗，并在實驗過程中通過噴淋肥皂水等方式確定泄漏位置，最終確定O形密封失效與配合偶件的隨動關系。

3輪廓支撐長度率Rmr(C)的測量與分析

對于該O形密封的配合偶件，由于預壓后O型圈的有效接觸面積很小，而且該配合偶件的表面輪廓為周期性輪廓[6]，其輪廓單元平均寬度Rsm≤0.13 mm。參照GB/T 10610-2009選擇取樣長度lr=0.25 mm，評定長度ln=3×lr，濾波器λc=0.25 mm，λs=2.5 μm，濾波方式為高斯濾波[7]。為了得到配合偶件輪廓表面真實的微觀形貌特征，測量采用了非滑道的針式測量方式。

參考國家標準GB/T 1031-2009推薦的尺寸系列，圖2所示的曲線為合格零件與泄漏零件的輪廓的支撐長度率曲線對比，合格零件的輪廓支撐長度率Rmr(30%)=40%， 而泄漏零件的Rmr(30%)[8]不足20%。雖然泄漏零件與合格零件的輪廓支撐長度率Rmr(30%)相差懸殊，但是兩者的Ra卻很接近并且都在標準要求范圍之內，因此單純用Ra無法解釋零件的O形密封失效。合格零部件與泄漏零件的其他表面特征參數對比如圖2所示。

圖2　合格零件與泄漏零件的輪廓支撐長度率Rmr(C)

表2　合格零件與泄漏零件的其他表面特征參數對比　μm

圖3與圖4所示的輪廓是經過λc輪廓濾波器抑制長波成份后形成的輪廓，是經過人工修正的輪廓。在該輪廓評定長度內，泄漏零件輪廓峰之間相對距離比合格零件輪廓峰之間相對距離要大，這造成不同零件Rmr(30%)之間的差距。由于該批零件的加工由不同的機加工廠商完成，而這些廠家的加工中心的進刀速度并不相同，而且表面處理過程亦存在差距。因為上述差異造成Rmr(30%)的不同，使O形密封圈受預壓后，材料無法完全填滿零件間的縫隙，最終導致液壓密封元件O形密封的失效。

圖3　泄漏零件的輪廓掃描

圖4　合格零件的輪廓掃描

4小結

上述的分析與數據說明：綜合考慮O形密封的失效原因，在評價O形密封配合偶件表面特征時，除了需要考慮常用的輪廓算數平均偏差Ra外，還需要考慮輪廓支撐長度率Rmr(C)。 在制定相應的標準與圖紙過程中，需要參考零件表面由于加工方式不同形成的具體輪廓特征，選取適合的測量參數進行Rmr(C)的評價。

參考文獻:

【1】崔宏英.O型密封圈的選用[J].煤，2007，16(2):117-118.

【2】王伯平.互換性與測量技術基礎[M].北京:機械工業出版社，2008.

【3】GB/T 3452.2-2007液壓氣動用O形橡膠密封圈 第2部分：外觀質量檢驗規范 [S].

【4】GB/T 3505-2009 產品幾何技術規范(GPS)表面結構輪廓法術語、定義及表面結構參數[S].

【5】GB/T 3505-1983 產品幾何技術規范(GPS)表面結構輪廓法術語、定義及表面結構參數[S].

【6】GB/T 10610-2009 產品幾何技術規范(GPS)表面結構輪廓法評定表面結構的規則和方法[S].

【7】GB/T 18777-2009 產品幾何技術規范(GPS)表面結構輪廓法相位修正濾波器的計量特性[S].

【8】GB/T 1031-2009 產品幾何技術規范(GPS)表面結構輪廓法表面粗糙度參數及其數值[S].

Application of Material Ratio of the Profile Rmr(C)to O Ring Sealing

ZHAO Baichuan1，YU Hai2，ZHANG Jie1，HUANG Peng1，WU Zhouping1

(1.Wanxiang Qianchao(Shanghai)Automotive Systems Co.,Ltd.,Shanghai 201300,China；2.SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

Abstract:From the point of sealing principle of hydraulic parts, leakage is a very important failure model which many hydraulic parts manufacturers work on. Some hydraulic parts leaked during the assembly process while the geometry size and surface roughness such as Ra、Rz fit the O ring sealing standard. To solve the confusion, the relation between material ratio of the profile Rmr(C)and O ring sealing failure was analyzed.

Keywords:O ring; Leakage; Material ratio of the profile Rmr(C); Surface roughness

收稿日期：2015-06-15

作者簡介：趙百川，男，本科，工程師，研究方向為汽車制動系統。E-mail：zbckmust@qq.com。

中圖分類號:TG8；TV2

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-064-03