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O形密封圈的密封原理
O形密封圈簡稱O形圈，是一種截面為圓形的橡膠圈。O形密封圈是液壓、氣動系統(tǒng)中使用廣泛的一種密封件。
O形圈有良好的密封性，既可用于靜密封，也可用于往復(fù)運動密封中;不僅可單獨使用，而且是許多組合式密封裝置中的基本組成部分。它的適用范圍很寬，如果材料選擇得當，可以滿足各種運動條件的要求，工作壓力可從1.333×10^5Pa的真空到400MPa高壓;溫度范圍可從-60℃到200℃。
與其它密封型式相比，O形密封圈具有以下特點:
1)結(jié)構(gòu)尺寸小，裝拆方便。
2)靜、動密封均可使用，用作靜密封時幾乎沒有泄漏。
3)使用單件O形密封圈，有雙向密封作用。
4)動摩擦阻力較小。
5)價格低廉。
O形密封圈是一種擠壓型密封，擠壓型密封的基本工作原理是依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。在用于靜密封和動密封時，密封接觸面接觸壓力產(chǎn)生原因和計算方法不盡相同，需分別說明。
1、用于靜密封時的密封原理
在靜密封中以O(shè)形圈應(yīng)用為廣泛。如果設(shè)計、使用正確，O形密封圈在靜密封中可以實現(xiàn)無泄漏的密封。
O形密封圈裝入密封槽后，其截面承受接觸壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形。
對接觸面產(chǎn)生一定的初始接觸壓力Po。即使沒有介質(zhì)壓力或者壓力很小，O形密封圈靠自身的彈性力作用而也能實現(xiàn)密封;當容腔內(nèi)充入有壓力的介質(zhì)后，在介質(zhì)壓力的作用下，O形密封圈發(fā)生位移，移向低壓側(cè)，同時其彈性變形進一步加大，填充和封閉間隙δ。此時，坐用于密封副偶合面的接觸壓力上升為Pm:
Pm=Po+Pp
式中Pp——經(jīng)O形圈傳給接觸面的接觸壓力(0.1MPa)
Pp=K*P
K——壓力傳遞系數(shù)，對于橡膠制O形密封圈K=1;
P——被密封液體的壓力(0.1MPa)。
從而大大增加了密封效果。由于一般K≥1，所以Pm>P。由此可見，只要O形密封圈存在初始壓力，就能實現(xiàn)無泄漏的密封。這種靠介質(zhì)本身壓力來改變O形密封圈接觸狀態(tài)，使之實現(xiàn)密封的性質(zhì)，稱為自封作用。
理論上，壓縮變形即使為零，在油壓力下也能密封，但實際上O形密封圈安裝時可能會有偏心。所以，O形圈裝入密封溝槽后，其斷面一般受到7%—30%的壓縮變形。靜密封取較大的壓縮率值，動密封取較小的壓縮率值。這是因為合成橡膠在低溫下要壓縮，所以靜密封O形圈的預(yù)壓縮量應(yīng)考慮補償它的低溫收縮量。
2、用于往復(fù)運動密封時的密封原理
在液壓轉(zhuǎn)動、氣動元件與系統(tǒng)中，往復(fù)動密封是一種常見的密封要求。動力缸活塞與缸體、活塞干預(yù)缸蓋以及各類滑閥上都用到往復(fù)運動密封。縫隙由圓柱桿與圓柱孔形成，桿在圓柱孔內(nèi)軸向運動。密封作用限制流體的軸向泄漏。
用作往復(fù)運動密封時，O形圈的預(yù)密封效果和自密封作用與靜密封一樣，并且由于O形圈自身的彈力，而具有磨損后自動補償?shù)哪芰?。但由于液體介質(zhì)密封時，由于桿運動速度、液體的壓力、粘度的作用，情況比靜密封復(fù)雜。
當液體在壓力作用下，液體分子與金屬表面互相作用，油液中所含的―極性分子在金屬表面上緊密而整齊的排列，沿滑移面與密封件間形成一個強固的邊界層油膜，并且對滑移面產(chǎn)生極大的附著力。該液體薄膜始終存在于密封件與往復(fù)運動面之間，它亦起一定的密封作用，并且對運動密封面的潤滑是非常重要的。
但是對泄漏來講是有害的。但往復(fù)運動的軸向外拖出時，軸上的液體薄膜便與軸一起拉出，由于密封件的―擦拭作用，當往復(fù)運動的軸縮回時，該液體薄膜便被密封元件阻留在外面。隨著往復(fù)運動行程次數(shù)增多，阻留在外面的液體就越多，后形成油滴，這就是往復(fù)運動式密封裝置的泄漏。由于液壓油的粘度隨著溫度的升高而降低，油膜厚度相應(yīng)減小，所以液壓設(shè)備在低溫下啟動時，運動開始時的泄漏較大，隨著運動過程中因各種損失引起溫度升高，泄漏量有逐漸降低的趨勢。O形圈作為往復(fù)式密封，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，可以降低元件價格。主要用在:
1)低壓液壓元件中，一般限于短行程和10MPa左右的中等壓力。
2)小直徑、短行程以及中等壓力的液壓滑閥中。
3)氣動滑閥和氣動缸中。
4)作為組合式往復(fù)動密封裝置中的彈性體。
O形圈作為往復(fù)動密封適合小直徑、短行程、中低壓力的應(yīng)用場合，氣動缸、氣動滑閥等往復(fù)運動元件中。在液壓元件中，用O形圈作主要動密封，一般限于短行程和10MPa左右的中低壓力。
O形圈不適合用作速度非常低的往復(fù)動密封和單獨作為高壓往復(fù)動密封。這主要是因為在這種條件下摩擦較大，會導(dǎo)致密封過早失效。在任何型式應(yīng)用中，都要根據(jù)密封件的額定數(shù)據(jù)或能力來使用，并且要裝配得當，才能得到滿意的性能。
3、旋轉(zhuǎn)運動用密封
在旋轉(zhuǎn)運動密封中，通常采用油
封和機械密封。但是油封的使用壓力較低，而且與O形圈相比，顯得過大和復(fù)雜，工藝性也差。機械密封雖然可用于高壓(40MPa)、高速(50m/s)及高溫(400℃)，但是結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、龐大，而且成本高，只適用于石油、化工等作用的一些重型機械設(shè)備上。
O形圈用于旋轉(zhuǎn)運動存在的主要問題是焦耳熱效應(yīng)。焦耳熱效應(yīng)使高速的旋轉(zhuǎn)軸與O形圈的接觸處產(chǎn)生磨擦熱，生成的熱量使這些接觸部位的溫度不斷上升，橡膠材料受熱嚴重變形，壓縮量與伸長量發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)熱還加速密封材料老化，降低了O形圈的使用壽命;破壞密封油膜，由此引起斷油現(xiàn)象，加速密封的磨損。
基于上述情況，近年來國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)運動用O形圈進行了廣泛深入的研究。為了避免出現(xiàn)焦耳熱效應(yīng)，關(guān)鍵在于根據(jù)橡膠的性能來正確地選擇設(shè)計O形圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是O形圈的拉伸量和壓縮率。根據(jù)實驗，將旋轉(zhuǎn)運動用O形圈設(shè)計成內(nèi)徑與旋轉(zhuǎn)軸直徑相等或稍大些，一般大3%~5%，在安裝O形圈時，從內(nèi)徑向里壓縮，并將斷面的壓縮量也設(shè)計得小一些，一般約為5%。并且，盡量采用受熱量影響小的密封材料，充分考慮O形圈安裝處的散熱問題。這樣就使O形圈的工作情況大為改善，可應(yīng)用于gao轉(zhuǎn)速達4m/s的旋轉(zhuǎn)軸的密封。
近年來又出現(xiàn)了耐熱氟橡膠和耐磨聚氨酯橡膠，并且對橡膠元件工作的焦耳熱效應(yīng)有了更深入的了解，并針對此問題研究解決方案，設(shè)計出了新的O形圈密封結(jié)構(gòu)，使O形圈能夠更好的應(yīng)用與高速、高壓的旋轉(zhuǎn)運動。
O形密封圈由于其具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工藝性能好、適用范圍廣泛等特點，正廣泛地在旋轉(zhuǎn)運動式密封裝置中推廣。