O型圈密封设计浅谈

O型圈能够为设计人员提供一种符合各种静态或动态应用要求，且经济有效的密封元件。廉价的生产方法和易用性，使得O型圈成为应用最为广泛的密封元件。无论对于标准应用还是特殊应用，弹性体材料均具有广泛的选择范围。因此，O型圈在实际使用时可以应用于所有液体和气体的密封。O型圈在模具中硫化成形，其特征是外表呈圆形，而横截面呈环形。O型圈可供选择的尺寸规格有：横截面直径约0.35~40 mm，内径可达到5,000 mm及以上。

1作用原理

O型圈是一种双向密封元件。安装时，O型圈径向或轴向的初始压缩量决定了O型圈的初始密封能力。系统压力作用于O型圈所产生的力，就是其总的密封力；该密封力随着系统压力的升高 而增大。在压力作用下，O型圈的形状和具有高表面张力的液体相仿，压力朝各个方向等值传递。

2 工作压力 

2.1 静态应用 

— 高于5 MPa，O型圈内径>50 mm，不带挡圈； 

— 高于10 MPa，O型圈内径<50 mm，不带挡圈（取决于材料、 横截面和间隙）； 

— 高于40 MPa，不带挡圈；- 高于250 MPa，带有特殊挡圈；- 请注意允许的挤出间隙。 

2.2 动态应用 

— 往复运动高于5 MPa不带挡圈； 

— 更高的压力工况，带挡圈。速度往复运动高达 0.5 m/s 旋转运动高达0.5 m/s 具体取决于材料和耐介质性能。温度 从 -60°C ~ +325°C 具体取决于材料和耐介质性能。 

当评估应用条件时，必须考虑最大值、持续的工作温度和干运行的时间。对于旋转应用而言，必须考虑摩擦生热导致温度上升的结果。介质对于各种材料而言，每种都具有不同的性能，在实际应用中基本上都会遇到密封流体、气体和化学介质的情况，请注意选择最合适的材料。

3 材料

3.1 ACM（聚丙烯酸酯橡胶）

ACM材料具有极佳的耐臭氧性，耐风化性和耐热空气性能，但其物理强度中等，弹性差，并且抗低温能力相对较弱。ACM工作温度范围是-20°C至+150°C，但短时间内可达到+175°C。特殊类型的ACM工作温度可以低至-35°C。ACM材料主要用于汽车工业，因为汽车工业对于在高温下能够抵抗包含多种添加剂（包括硫）的润滑油的腐蚀有较高的要求。

3.2 EPDM（三元乙丙胶）

三元乙丙橡胶具有良好的耐热性，耐臭氧性和耐老化性。此外，三元乙丙橡胶还具有很好的弹性，良好的低温性能和绝缘性能。三元乙丙橡胶的工作温度范围为-45°C至+150°C（短时间内可以高达+175°C）。经硫化处理的三元乙丙橡胶的工作温度 范围减小为-45°C至+130°C（短时间内可达到+150°C）。三元乙丙橡胶常用于制动液（乙二醇基）和热水的密封。

3.3 VMQ（硅橡胶）

硅橡胶具有极佳的耐热性、冷挠曲性、绝缘性能以及极好的耐氧化、耐臭氧及抗紫外线（UV）性能。特殊的硅橡胶材料能够耐齿轮油、+100°C以上的水和高分子量氯代烃介质。硅橡胶的工作温度范围是-50°C至+175°C（短时间内可达到+230°C）。特殊类型的硅橡胶的工作温度可以低至-90°C。

4 化学兼容性

在选用一种合适的材料之前，首先要全面了解化学兼容性指南。在选择材料之前，必须对应用的各个方面加以全面仔细的分析。例如，某些具有腐蚀性的流体在高温时比在室温时对合成橡胶所产生影响要显著的多。此外，还应该考虑材料的物理特性及其与流体的兼容性。因为在特定的应用中，材料的压缩变形、硬度、耐磨性及其热膨胀性均会影响材料的适用性。建议用户针对具体的应用进行测试，以确认所选材料的适用性。

5 安装方法和密封沟槽设计的建议

在设计阶段，就应当考虑O型圈的安装问题。为了避免在安装过程中损坏O型圈，应当尽可能避免O型圈穿过锐边或内孔。当滑动距离较长时，密封座应尽可能设计成凹槽，或者适当调整O型圈保证其在安装时仅需要滑动较短的距离，以降低O型圈发生扭曲的危险。

6 径向安装（静态和动态运动）和内周密封（活塞杆密封） 

选择适当规格的O型圈时，应该保证其外径（d1+2*d2）至少等于或者大于沟槽外径d6。 外周密封（活塞密封） 选择适当规格的O型圈时，应该保证其内径d1至少等于或者小于沟槽内径d3。 

7 轴向安装（静态运动）

在轴向静态安装时，选择适当规格的O型圈时，就应该考虑压力的方向。当存在内压时，O型圈外径应该等于或者大于外沟槽直径d7；当存在外压时，O型圈内径应该小于内沟槽直径d8。

8 拉伸率 - 外径过盈 

静态和动态运动下，活塞和活塞杆密封件的径向安装 

如果O型圈被用作活塞密封（外周密封），主O型圈内径d1在动态工况下应该会被拉伸2%至5%的幅度，并且在静态工况下拉伸率在2%和8%之间。O型圈直径d1小于20 mm的情况几乎是不可能的，所以拉伸范围必须更宽。为了使该范围最小并且拉伸率最大，那么使沟槽直径d3的公差达到最小就非常必要，并且对于最小O型圈拉伸率的要求不会显得那么严格。在动态应用中，将最大拉伸率提升到5%或者低于5%的水平来避免对密封性能产生有害影响的措施显得非常重要。超过这个值会导致O型圈横截面大幅减小，从而影响O型圈的使用寿命。 

9 轴向安装，静态运动 

如果O型圈用作静态轴向密封，那么当选择O型圈大小时，就应该考虑压力的方向。如果O型圈受压，设计沟槽时就应该考虑施加压力的情况，O型圈接触的沟槽壁总是会远离受压的一侧。如果存在外部压力，选择O型圈时，其内径d1就要比内沟槽直径 d8小大约1%至3%。如果存在内部压力，选择O型圈时，其外径（d1+2*d2）就要和外沟槽直径d7相等或者大大约1%至2%。当选用内径大于50 mm的大尺寸O型圈时，绝对的外径过盈量应该被测算并且最小化，从而避免在装配过程中发生O型圈弯曲 或者滑出沟槽。另外，也应该考虑内径和横截面之间的比率和 O型圈的材料。

10 初始压缩量

沟槽中O型圈横截面的初始压缩量，对于保证其作为主要密封或 者次要密封元件的作用是非常关键的，它能够：- 实现初始密封能力 - 弥补生产公差 - 确保规定的摩擦力 - 补偿压缩变形 - 补偿磨损，根据应用场合的不同，下面给出了推荐的初始压缩量，即相对于横截面直径（d2）的比值：动态应用：6 ~ 20% 静态应用：15 ~ 30% 密封沟槽的尺寸可以根据初始压缩量来设计，这些值遵循ISO 3601-2规范，并且考虑了负载与横截面直径之间的关系。

11 压缩力 

O型圈的压缩力是变化的，主要取决于其它一些因素，例如初始压缩量、材料类型、材料硬度、O型圈内径及其横截面。

12 沟槽填充

考虑O型圈的沟槽填充，避免对径向密封性能产生有害影响显得非常重要。推荐的沟槽填充比例不得超过由于流体接触和公差效果产生的热膨胀或者体积膨胀的85%。

13 型圈沟槽的表面光洁度

14 矩形沟槽 

矩形沟槽是所有新设计的首选，这种结构允许沟槽两侧面存在高达5°的斜面。如果使用挡圈，就必须采用垂直侧面。

15 沟槽尺寸建议

对于径向间隙S和表面光洁度的信息，请参考“ 沟槽设计和尺寸”。沟槽宽度b2和b3：当使用挡圈时，沟槽将使用相应的挡圈厚度进行加宽（b2：一个挡圈，b3：两个挡圈）。通常推荐H8/f7的配合公差。

16 梯形沟槽 

梯形沟槽仅用于特殊情况下，例如在顶部安装的场合下，为了能够固定住O型圈。梯形沟槽仅推荐用于横截面直径为3.53 mm的O型圈，O型圈内径等于平均沟槽直径减去O型圈横截面直径。

O型圈密封的作用就是将接合面间的间隙封住，隔离或切断泄露通道，增加泄露通道中的阻力，或者在通道中加设小型做功元件，对泄露物造成压力，与引起泄露的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄露，达到密封的效果。