O型圈在机电设备中的应用

孙长军

摘  要：机电设备中的密封形式多种多样，采用的密封结构也种类繁多，O型圈以其结构简单、材料多样、安装简单、密封性能好的特点在机电设备中的应用越来越广泛，本文将就其特点、材料、安装及维护等方面进行详细介绍。

关键词：O型圈  密封  密封机理

1、概述

O型圈是安装在沟槽中、通过接触面挤压O形截面的密封环。在动密封或静密封的应用中O型圈是一种方便而且有效的密封元件。O型圈在模具中加工制作成型，其尺寸有内径d1和截面直径d2来表示（见图一）。与其他密封元件相比，O型圈有以下优点：

①整体式的沟槽设计，优化了设计成本;

②设计紧凑，减小了零件的尺寸;

③容易安装，降低了出差错的概率;

④应用的范围广，选择相匹配型号、规格尺寸与材质的O型圈，可以密封几乎所有的液体或气体介质;

⑤规格种类齐全，方便维护与修理。

2、密封机理

无论是受周围机械结构的机械压力作用还是液压流体传递的压力作用，这种“高粘度流体”在沟槽中“流动”，形成“零间隙”，或者说阻止了被其密封的流体的流动。橡胶的弹性补偿了制造和配合公差，其材料内部的弹性记忆是维持密封的主要条件。密封圈在各个受力状态下对密封介质的密封作用如下：

O型圈在安装后，未施加系统压力，此时O型圈受沟槽的机械压力，其截面已不是圆形，它关闭了流体的通道。

O型圈在系统压力作用下，被挤向配合面之间的狭窄间隙，从而获得了更大的接触面积和密封应力，起到对流体的密封作用。

O型圈所受压力达到了它的压力极限，有一小部分密封材料被挤进了沟槽间隙，导致O型圈失效。

由于系统压力的进一步加大，密封件的表面张力已不足以阻止“流动”，被挤到开放的通道或间隙中，导致O型圈被挤出失效。

3、应用范围

静密封

绝对静密封是指配合的零件之间无相对运动（少量的热膨胀或流体压力引起的相对分离除外）。由于在几乎所有的静态应用中都有振动，所以绝对的静密封实际上很少的。

静密封在机电设备中应用如软管或硬管接头处的密封，端盖下的密封件，螺丝头或铆钉下的密封等。

往复密封

配合的表面存在着沿着轴向做相对往复的运动。该运动会导致O型圈滑动或滚动，或者说O型圈的密封表面随着这种往复运动做前后的运动。如：油缸的活塞、活塞杆、柱塞等。

摆动密封

O型圈所密封的内外元件绕旋转轴有圆周相对运动。相对于旋转密封而言，摆动密封有双向运动。可以把有纵向运动（由螺纹引起的）的旋转也归入摆动密封。如：阀门阀杆所用的O型圈密封。

旋转密封

在旋转密封中，O型圈内部元件或外部元件绕旋转轴沿一个方向转动。如：电机或发电机的旋转密封。

阀座密封

在阀座密封中。O型圈作为一个接触元件阻挡了流动通道。关闭流动通道的运动使得O型圈变形，从而实现密封效果。

气动密封

用在气体或蒸汽中的密封，可以是前面所述五种密封中的任何一种形式。在这类密封中，O型圈的润滑很重要。

真空密封

真空密封式用来形成真空环境或用于真空容器中的密封。

缓冲安装

在这类应用中，O型圈通过自身的变形吸收冲击力或振动。O型圈需要妥善地安放在沟槽中。

压垮安装

这是静密封的一种形式。O型圈被压垮到非标准截面的沟槽中。尽管这也是一种有效的密封形式，但O型圈已发生永久变形，不可重复使用。

防尘圈

O型圈用来对往复运动的活塞杆进行清洁，以免其内侧的其他密封件损坏。如有压力堆积（困油）现象，则两个密封件间要有泄荷设计。

传动带

O型圈可以用来做小功率的传动带。

4、材料的选择

O型圈常用的标准材料有丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶（FKM、FPM）、乙丙橡胶（EPDM、EPM）、腈化丁腈橡胶（HNBR）、硅橡胶（VMQ、Q、MQ、PVMQ）、氯丁橡胶（CR）、氟硅橡胶（FVMQ）、聚氨酯（AU、EU）、氯醇橡胶（CO、ECO、GECO）、丁苯橡胶（SBR）、丁基橡胶（IIR）、天然橡胶（NR）、乙烯/丙烯酸橡胶（AEM）、聚丙烯酸酯橡胶（ACM）、全氟橡胶（FFKM）。

每種材料都有其特定的硬度和温度范围，由于其使用环境的温度、压力等不同，选择的材料也不相同;因此，选择O型圈的材料时一定要综合考虑其应用范围的各个技术参数及其相互间的影响。

5、使用注意事项

安装建议

安装前要仔细检查O型圈及沟槽，如O型圈是否有破损、污染、规格尺寸、材质等，沟槽的尺寸、槽内是否有杂物如加工残余、脏物外来颗粒等;安装过程中要保证使用的工具无锐边，O型圈不扭曲、不得过量拉伸等。

充分考虑O型圈的压缩率，选择合适尺寸的O型圈

O型圈在沟槽中的初始挤压量对其密封作用是不可缺少的，要充分考虑安装密封接触应力、配合间隙、适量的摩擦力、伸长或压缩变形和磨损等因素;对于不同的应用场合其压缩率（初始变形量与界面直径d2的比例）是不相同的，动密封、静密封中压缩率分别为6%-20%、15%-30%。

O型圈的压缩率与采用的材料有关系，材料硬度主要决定了所受到的压力的大小。

拉伸与压缩是O型圈在沟槽中存现的两种形态，在径向密封的结构中，O型圈装在内沟槽中（作为“外圆密封”）将受到拉伸，最大圆周伸长量为3%（d1>50mm）或5%（d1<50mm）;O型圈装在外沟槽中（作为“内圆密封”）将被压缩，其最大圆周压缩量为1%。如果超过所能承受的拉伸或压缩量，会导致O型圈截面尺寸过度变化，其使用寿命也会受到影响。

选择O型圈的技术参数

O型圈有着广泛的应用环境，为了评估其在某种具体的应用效果，必须对其工作的具体环境工作参数及其相互之间的影响充分考虑，主要从工作压力、速度、温度、介质等几个方面选择。介质的不同、温度的差别O型圈采用的材料也就不同，速度和压力的不同O型圈的结构也就不同。

挤出极限和间隙

O型圈在沟槽中受介质压力作用下，有弹性变形发生，“流”向间隙位置，达到密封效果。随着压力的增加，O型圈的变形将会增大，其弹力与摩擦力也将增加，从而获得更紧的密封。当O型圈受很大的压力时，会被挤入到间隙中，导致密封失效。挤出间隙的大小取决于O型圈的硬度、介质工作压力和温度、沟槽间隙大小。如果沟槽的公差偏差较大，会导致O型圈从间隙中挤出。所以在设计、选择及安装的过程中一定要注意O型圈的尺寸和沟槽尺寸的配合，从而获得更好的间隙配合。达到更好的密封效果。

存储方式、期限及控制

O型圈通常作为备件要存储较长时间，如果存储环境不当，比如有热源、潮湿、电离、辐射、接触油品或溶剂等，这些都会引起O型圈的物理及化学性质改变，从而导致其失效。因此存储O型圈要有一个合适的存储条件，要根据其说明书上的存储要求去保存。比如温度在5℃～25℃，相对湿度低于70%，避免太阳光爆晒及含紫外线的光源，要在其自由状态下放置，不得拉伸、受压或其他变形，避免与化学药剂接触，不得与磁性材料、能损坏橡胶的金属材料接触，不同材料的O型圈禁止混装等等。

6、失效及对策

序号 问题描述 产生原因 解决办法

1

O型圈本体出现整齐伤口 沟槽在加工过程中存在边角锋利;密封件尺寸不适合; 打磨锋利边角;沟槽设计更加合理;选择尺寸合适的密封件;

2

O型圈有卷曲情况 安装造成，沟槽表面光度不符合要求，尺寸不均匀，润滑不足;材料太硬或弹性太小;O型圈表面处理不均匀; 正确安装，润滑到位，沟槽设计及表面光洁度满足要求，选用高弹性型材料，也可使用支撑环;

3

O型圈过度压缩，接触表面压成平面，或伴随裂纹 压力过大，没有考虑到材料使用特性。 选择时要考虑到材料特性与使用范围。

4

O型圈出现有粗糙破烂的边缘。 O型圈尺寸不合适，间隙过大;压力过大;材料硬度或弹性太低; 选择合适的尺寸，减小间隙尺寸，选用适合硬度或弹性的材料;

5

O型圈接触表面永久性变形。 压力过大;温度过高;材料本身永久变形率过高; 选择弹性较好的材料;确认材料使用条件;

6

O型圈被化学腐蚀。 材料与介质不符或使用的温度不适合; 选择相适应耐介质化学腐蚀的材料;

7

O型圈的接触面有径向裂纹。 工作条件下的温度过高或温度变化过于频繁 选择抗高温性能的材料;

8

O型圈密封区域有磨损，能发现材料磨损的颗粒; 密封表面光洁度不够;密封环境有磨损性强的污物;O型圈表面处理不干净; 沟槽、密封面光洁度满足要求，清除造成磨损的污物;

9

O型圈表面有氣泡、凹坑、疤痕; 材料的材质不匹配;压力变化快; 选择相匹配材质的材料，尽可能降低压力变化速度;

10

O型圈材料截面尺寸减小，有气体析出。 材料制作加工处理不当;材料耐磨性不足;使用了带有增塑剂的材料。 合适的材料加工工艺，选择耐磨性的材料。

参考文献

[1]刘兴玉，张新奇，余巍，张永强.0形圈密封设计，《液压气动与密封》2013年06月.

[2]胡晓东，于慧敏，韩继先.浅谈水下电连接器的密封设计.《机电元件》，2014年04月.

[3]任召田.浅析中压C-GIS的密封.《电气制造》，2009年03月.

[4]韩同祝.供水管网阀门用橡胶密封件的选择.《阀门》，2014年12月.

[5]谢文渊（导师：郭嘉，冯家盛）阀盖密封圈与封头密封圈失效分析及其解决方法《武汉工程大学硕士论文》2018年11月.

2922501705249