橡胶O形圈的密封机理探讨

郭文芳 焦亮 刘毅 孙思杰

摘要：橡胶O形圈是陶瓷工厂、建筑建设、航天器等领域重要的密封结构形式之一，不仅密封性能优秀价格也便宜，应用极为广泛。基于此，为使橡胶O形圈充分发挥其密封性能，本文对其密封机理进行深入探讨，同时结合常见的泄露原因研究解决措施，以供参考。

关键词：橡胶O形圈;密封机理;泄露

引言：橡胶O形圈为截面形状是圆形的环形橡胶密封件，多应用于液压设备，若是其密封性受到影响，容易使相关设备内的流体和物质渗漏，不仅会造成相关损失，还有可能引发安全问题。因此，探讨橡胶O形圈的密封机理、做好提前控制是必要的。

1.探讨橡胶O形圈的密封机理

橡胶O形圈属于密封结构的一种，由于其结构简单，且无论是制造生产还是安装使用都较为简单，因此该密封结构应用极为广泛。当橡胶O形圈用作固定密封结构时，承受的压力最高为400MPa，而且，橡胶O形圈密封构造较为简单，所以适用性较强，可用于端面、外径等处。从当前橡胶O形圈发展情况来看，较为常用的结构主要有八种，分别为：孔用往复运动密封、活塞杆用往复运动密封、径向固定密封、旋转运动轴密封、端面倒角固定密封、轴向固定密封、外压作用式轴向静密封和内压作用式轴向静密封。由于该密封件为挤压型密封件，所以在使用时需要借助密封槽与其之间的预压缩作用，利用产生的弹性变形满足密封目标。因此，其密封机理具体如下：

当橡胶O形圈使用时，往往需要承受压力P，比如压缩空气或是液压油等，在该情况下，橡胶O形圈将会移至密封槽低压侧，随着压力的变化，橡胶O形圈与工作介质之间还会产生附加的接触应力σc，在该应力和初始接触应力σ0共同作用下，能够有效实现密封目的。

建立指标坐标系，z轴假设为压力P的作用方向，之后于橡胶O形圈中以随意选取的方式选择受力微元体，那么在压力的作用下，其主要呈现压缩应力状态。与此同时，按照x、y、z的顺序其受力在坐标轴上分别-σx、-σy和-P，其中，负号（-）和正好（+）分别代表压应力和拉应力，对应的在x、y方向上的變形分别为εx和εy，线应变分别为：εx=-σx/E+（P+σy）/E;εy=-σy/E+μ（P+σx）/E。其中，E、μ、εx和εy分别为材料弹性模量（Pa）、材料泊松比或横向变形系数、受力微元体x方向的线应变和y方向的线应变。受力构件轴线尺寸和横向尺寸呈反比例关系，即前者伸长则后者收缩，前者缩短则后者伸长。但是，横向变形系数不会超出一定范围，二者的绝对值比代表着一个基本性能，具体数值需要根据橡胶O形圈的使用需要并由实验确定。

由于橡胶O形圈所使用的密封槽主要材质为金属材料，且刚性良好，因此即便压力P存在，密封槽的线应变也十分小，甚至可以将其等同于0。这意味着，εx与εy在x、y轴方向的线应变也可看作为0，即：εx=-σx/E+（P+σy）/E=εy=-σy/E+μ（P+σx）/E=0，最终可以得到σc=σx=σy=μP/1-μ，即附加接触应力，σc。然而，单凭附加接触应力σc无法实现密封，还需要通过压缩产生的弹性变量获得足够的初始接触应力σ0，从而保证橡胶O形圈得以有效密封工作介质[1]。

总而言之，在压力P较高的情况下，橡胶O形圈安装在密封槽中产生的弹性变量也较大，且二者呈正比例关系，所以，在一定范围内，附加接触应力σc越会随着工作介质压力P的提升而加大，这就是橡胶O形圈得以有效密封的机理。

2.橡胶O形圈泄露原因及解决措施

2.1泄漏原因

从当前情况来看，橡胶O形圈泄露原因主要有三，分别为：一是设计不合理，缺乏作业场景考虑，且较常出现挤入密封间隙损伤损坏，最终因变形、损坏影响密封性能，最终出现介质渗漏;二是安装及拆卸时出现损伤损坏，比如横向孔洞的尖角或是硬度过高等，导致其拉伸变形较大，进而出现损伤损坏;三是存在污染，且存储不当，橡胶O形圈出现老化。

2.2解决措施

首先，科学设计橡胶O形圈，综合考虑设计内容，保证其性能参数和构造合理。在设计制造橡胶O形圈时，应分析该密封件的应用环境，比如是用作旋转运动密封还是往复运动密封，进而开展差异化设计制造工作。同时，掌握应用现场环境情况，例如温度大小、相对运动速度高低等，在对各方面综合分析后选择合适规格的橡胶O形圈和密封构造。此外，还要做好密封槽的加工制造质量把控，一般按照轴向、活塞、活塞杆等沟槽尺寸选用，为保证槽口和槽底的圆柱面之间同轴度，应采用圆角光滑连接，并检查橡胶O形圈质量，使其表面光洁，不存在损伤损坏。值得注意的是，选择合适的密封间隙，这是因为对于橡胶O形圈而言，相对运动耦合面应具有供润滑油膜层形成的间隙，通常状况下，橡胶O形圈硬度和介质压力p决定间隙大小。若是间隙不合理，不仅会影响制造装配，还会造成介质泄露。因此，最好选用H8/f8或H9/f9的间隙配合，将表面粗糙值控制在1.6-0.8μm范围内，从而保证密封间隙合理。

其次，规范装配流程。加工制造导向锥面，将润滑油均匀、适量涂抹在橡胶O形圈运动时途径的杆件表面，降低摩擦阻力，为后续顺利安全奠定基础。若是需要涉及横向孔洞，则要控制其截面直径，保证其不大于橡胶O形圈内径，并在将其倒角加工为圆角，保证橡胶O形圈质量。值得注意的是，实际安装过程要足够细心，不得造成拉伸变形[2]。

最后，保证环境干净整洁，做好储藏和保管工作。加强液压油污染与防护，做好定期检测与管理，清洗过滤芯、及时更换液压油，其中，补充的液压油要与原本液压油品种相同等，以此保证橡胶O形圈的工作介质清洁度符合相关标准与要求。在储藏和保管方面，主要使用聚四氟乙烯塑料袋，以密封的形式保存橡胶O形圈，做好信息标识并防至干燥、通风性能良好以及较为阴凉的位置。

结论：综上所述，为充分发挥橡胶O形圈的密封性能，应对其密封机理进行深入研究，明确该密封件良好密封效果的实现基础，进而在后续设计、结构选用、安装、存储等方面科学、合理进行，满足实际使用需要，避免出现工作介质渗漏现象。

参考文献：

[1]蔡祖光. 陶瓷工厂常用O形橡胶密封圈的泄露及其解决途径[J]. 佛山陶瓷，2020，30（12）：32-40.

[2]蔡祖光. 建筑材料生产企业O形橡胶密封圈及其应用（二）[J]. 砖瓦，2019（8）：27-32.