1.引言
O形圈虽小,关系却重大。设计不好,轻则漏水漏油,重则机毁人亡,如1986年美国“挑战者”号航天飞机因O形圈在低温条件下密封失效而爆炸。在设计O形圈密封结构时,先选择一款合适的O形圈,然后参考《机械设计手册》的推荐尺寸来设计沟槽大抵不会有问题。经过一段时间的思考,笔者琢磨出一个从原理出发来设计O形沟槽的方法,能够做到以不变应万变、结构尺寸优化和密封可靠。
2.O形圈的选型
O形圈型号的通用表示为ød0(内)*W ,如图所示
O形圈的标准非常多,有国标、美标、日标、德标以及生产O形圈厂家自己的标准。
目前我用得最多的就是国标、日标和生产O形圈厂家的标准,以及自己定制的O形圈,自己定制的话需要购买者支付模具费用,所以比较昂贵,一般推荐标准或有现货的O形圈。
3.平面O形圈密封
平面固定用O形圈的设计用语如下
O形圈安装在沟槽里,为保证其密封性能,应预留一个初始压缩量。对于不同的应用场合,相对于截面直径W的压缩率也不同。通常在静密封中约15%~20%,而在动密封中约为9%~15%。
沟槽深度和宽度的选择,可以用如表所示的简化计算:
沟槽深度过大,O形圈压缩量过小容易出现泄漏。沟槽深度过小,O形圈压缩量过大,安装拆卸困难,另外会导致O形圈寿命减少。
沟槽宽度过大,O形圈受外压时,内径会变大,由O形圈体积不变原理可知,O形圈线径就会变小,导致压缩量就会变小,可能出现密封泄露问题。沟槽宽度过小,O形圈受到外压时,导致O形圈被挤坏。(仅限端面密封时候)
圆柱面用O形圈的设计用语如下
圆柱面O形圈密封分为活塞密封和活塞杆密封。为了方便O形圈安装,对于活塞密封,O形圈最好处于拉伸状态,其内径伸张率为0~5% ;对于活塞杆密封,O形圈最好处于压缩状态,其外径伸张率为 0~3% 。
5.三角沟槽密封
三角沟槽O形圈的设计用语如下
为方便O形圈安装,D、d尺寸可以参考圆柱面活塞杆密D2 和圆柱面活塞密封中的D1。
G尺寸可由推荐的填充率75%~90%来计算,容易知道G为1.32W~1.45W。
6.倒角与表面粗糙度
7.挡圈的标准
当密封压力达到10MPa以上的时候就需要添加挡圈,以保证O形圈在受压的时候不会发生挤出现象,单侧出现压力大于10MPa就单侧加挡圈,二侧出现压力大于10MPa就单侧加挡圈。
挡圈的大小选择如下图所示,选自《机械设计手册(第五版)第三卷(润滑与密封)》
8.本文主要介绍静密封
径向密封和端面密封:二种密封方式中,端面密封效果更好,因为如果出现泄漏,我们可以增大预压力,保证密封的可靠性。正因为需要增加预压力,所以被密封件就会受力,可能会导致被密封件变形,而径向密封就不会出现该问题。
径向密封:
利用O形圈自身压缩量实现密封,这种方式往往需要卡住被密封件,防止密封件被气压吹出。
外界提供预压力实现密封:气缸、摩擦力、压缩空气
利用活动件可以沿着气缸力方向运动,实现挤压o形圈,实现密封效果。
扳动凸轮机构就可以实现O形圈的挤压,实现密封,图中O形圈还可以更换矩形圈。利用O形圈和矩形圈的摩擦力钩住固定件,使密封件不脱落。
气胀:内气胀、外气胀,图中展示的是内气胀,外气胀大家可以思考以下怎么实现。
端面密封:
O型圈端面密封:比如常见的法兰与法兰之间的密封,一个法兰铣槽,一个法兰不铣槽,用螺丝锁紧实现密封,也可以用气缸提供预压力。
矩形型圈(聚氨酯材质)端面密封:这种密封一般需要外界提供预压力。
紫铜垫密封:常见的压帽接头就是。
螺纹密封胶:
504红胶
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