轮廓支承长度率Rmr(C)在O形密封中的应用

赵百川，余海，张杰，黄鹏，吴宙平

(1.万向钱潮(上海)汽车系统有限公司，上海 201300；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)



轮廓支承长度率Rmr(C)在O形密封中的应用

赵百川1，余海2，张杰1，黄鹏1，吴宙平1

(1.万向钱潮(上海)汽车系统有限公司，上海 201300；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

摘要：密封是液压元件正常工作的基本要求，泄漏作为一种重要的失效模式也是液压密封元件生产制造领域的研究重点。针对液压密封部件在实际生产过程中出现过的粗糙度Ra、Rz与零件尺寸符合O形密封相关设计标准、但依然出现泄漏的一种O形圈密封失效模式进行研究,确定轮廓支承长度率Rmr(C)与O形密封失效的关系。

关键词：O形圈;泄漏;轮廓支承长度率Rmr(C); 粗糙度

0引言

工程师一般在O形密封圈的设计过程中，非常关注表面粗糙度Ra[1]以及零件的几何尺寸公差[2]对密封性的影响。在实际的生产与检验过程中，制造与质量部门对零件配合面的清洁度、O形密封圈的表面质量[3]以及生产现场由于装配造成的零件表面剥落物等都进行严格的控制，来避免由于装配细节造成的O形密封失效现象。但是，由于表面粗糙度Ra与零件的几何尺寸不能全面衡量O形圈密封的密封性，在某液压元件的试制现场依然出现了同一批次的若干零件的表面粗糙度Ra、相关零件的几何尺寸均在设计标准要求范围之内，在生产现场的5S与清洁度符合操作规范的情况下，同一台检测设备上出现了部分零件的O形密封失效、剩余零件O形密封合格的现象。实践证明，单纯依靠表面粗糙度Ra与零件的几何尺寸不能完全解释上述O形密封的失效现象。

1轮廓支撑长度率Rmr(C)[4]与O形密封

在表面粗糙度的测量过程中，轮廓支撑长度率Rmr(C)是评价零件表面微观形状特征的重要参数，在零件表面质量的评价过程中具有很高的实用价值。但是，长期以来由于只有少量仪器可以测量轮廓支撑长度率Rmr(C)， 使其应用受到了很大的限制。随着工程技术的不断发展，目前市场上很多便携式粗糙度仪都已经具备轮廓支撑长度率的测量功能，这使得运用轮廓支撑长度率对重要零件表面进行大批量测量与评价成为可能。目前市场上粗糙度仪的内置测试标准比较多，在我国的国家推荐标准中轮廓支撑长度率的表示方式有两种，其中GB/T 3505-2009 与GB/T3505-2000中轮廓支撑长度率用Rmr(C)表示，与ISO 4287-1997和JIS B0601-2001中轮廓支撑长度率的表示方法一致，而在GB/T 3505-1983中轮廓支撑长度率用tp[5]表示，等效于GB/T 3505-2009中的相对支撑长度率Rmr。文中所使用的测量数据的测试标准为JIS B0601-2001。

零件结合面的表面质量对于O形密封具有决定性影响，如果表面质量不高O形密封圈受预压后，材料无法完全填满零件间的缝隙，会造成密封零件的轻微泄漏并导致泄漏检测设备出现不合格报警。对于O形密封圈，查询国标GB/T 3452.3-2005推荐的O形密封配合沟槽和配合偶件表面的表面粗糙度要求，提供的Ra、Ry的相应参考标准如表1所示。

表1　　　　GB/T 3452.3-2005推荐的沟槽

注：括号内的数值为要求精度较高的场合应用。

Ra、Ry虽然可以衡量零件表面的加工质量，但只是体现了工件表面的微观特征的幅度参数特性，无法反映工件表面微观特性的间距参数特征，因而无法完全反映零件的密封性能。轮廓支撑长度率Rmr(C)作为混合特征参数并在评定长度ln内对表面微观特征进行评价，因此，可以更好地解释Ra合格工件的泄漏问题，并提供设计参考。

2O形密封失效分析

在某液压密封元件的试制现场，同一批次的若干零部件在Ra与几何尺寸公差满足标准要求的前提下，出现了部分零件密封失效、剩余零件密封合格的情况。清查生产现场并通过内窥镜观察该液压元件的内部情况，并未发现任何异物。针对密封合格零件与密封失效零件进行反复的部件互换实验，并在实验过程中通过喷淋肥皂水等方式确定泄漏位置，最终确定O形密封失效与配合偶件的随动关系。

3轮廓支撑长度率Rmr(C)的测量与分析

对于该O形密封的配合偶件，由于预压后O型圈的有效接触面积很小，而且该配合偶件的表面轮廓为周期性轮廓[6]，其轮廓单元平均宽度Rsm≤0.13 mm。参照GB/T 10610-2009选择取样长度lr=0.25 mm，评定长度ln=3×lr，滤波器λc=0.25 mm，λs=2.5 μm，滤波方式为高斯滤波[7]。为了得到配合偶件轮廓表面真实的微观形貌特征，测量采用了非滑道的针式测量方式。

参考国家标准GB/T 1031-2009推荐的尺寸系列，图2所示的曲线为合格零件与泄漏零件的轮廓的支撑长度率曲线对比，合格零件的轮廓支撑长度率Rmr(30%)=40%， 而泄漏零件的Rmr(30%)[8]不足20%。虽然泄漏零件与合格零件的轮廓支撑长度率Rmr(30%)相差悬殊，但是两者的Ra却很接近并且都在标准要求范围之内，因此单纯用Ra无法解释零件的O形密封失效。合格零部件与泄漏零件的其他表面特征参数对比如图2所示。

图2　合格零件与泄漏零件的轮廓支撑长度率Rmr(C)

表2　合格零件与泄漏零件的其他表面特征参数对比　μm

图3与图4所示的轮廓是经过λc轮廓滤波器抑制长波成份后形成的轮廓，是经过人工修正的轮廓。在该轮廓评定长度内，泄漏零件轮廓峰之间相对距离比合格零件轮廓峰之间相对距离要大，这造成不同零件Rmr(30%)之间的差距。由于该批零件的加工由不同的机加工厂商完成，而这些厂家的加工中心的进刀速度并不相同，而且表面处理过程亦存在差距。因为上述差异造成Rmr(30%)的不同，使O形密封圈受预压后，材料无法完全填满零件间的缝隙，最终导致液压密封元件O形密封的失效。

图3　泄漏零件的轮廓扫描

图4　合格零件的轮廓扫描

4小结

上述的分析与数据说明：综合考虑O形密封的失效原因，在评价O形密封配合偶件表面特征时，除了需要考虑常用的轮廓算数平均偏差Ra外，还需要考虑轮廓支撑长度率Rmr(C)。 在制定相应的标准与图纸过程中，需要参考零件表面由于加工方式不同形成的具体轮廓特征，选取适合的测量参数进行Rmr(C)的评价。

参考文献:

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

【2】王伯平.互换性与测量技术基础[M].北京:机械工业出版社，2008.

【3】GB/T 3452.2-2007液压气动用O形橡胶密封圈 第2部分：外观质量检验规范 [S].

【4】GB/T 3505-2009 产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数[S].

【5】GB/T 3505-1983 产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数[S].

【6】GB/T 10610-2009 产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法评定表面结构的规则和方法[S].

【7】GB/T 18777-2009 产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法相位修正滤波器的计量特性[S].

【8】GB/T 1031-2009 产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值[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

作者简介：赵百川，男，本科，工程师，研究方向为汽车制动系统。E-mail：zbckmust@qq.com。

中图分类号:TG8；TV2

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-064-03