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械密封設計過程中如何使用 橡膠O形密封圈

摘要:本文以O形密封圈為研究對象。首先闡述了機械密封中O密封圈的密封機理,提出了在一定條件下,機械密封中O形密封圈溝槽尺寸的計算方法和O密封圈在使用過程對拉伸量和在不同壓力和硬度下對O形密封圈的密封間隙的要求,解決了設計過程中,在沒有相關標準可查的情況下帶來的設計困難。


關鍵詞:O形密封圈    設計計算

一、  前言

由于機械密封與其它軟填料密封相比,在使用過程中具有很多優點,因此機械密封得到越來越廣泛的應用。機械密封一般來說有四個密封點,依次是動、靜環摩擦副之間的密封(機械密封行業稱之為主密封面)、旋轉部件與設備軸之間的密封、靜止部件與設備壓蓋之間的密封以及密封腔與設備之間的密封。其中動、靜環摩擦副之間的密封是密封生產廠家要求重點解決的,這常常會引起設計者的充分重視,而其它幾個密封卻很容易被忽視。本文就機械密封中橡膠O形密封圈的密封機理、如何設計,根據有關文獻結合自己對橡膠O形密封圈的研究作簡要闡述,以期對大家有所幫助。


二、 O形密封圈的密封機理

O形密封圈是一種典型的具有自密封作用的壓縮型密封件,主要用作壓縮密封使用。O形密封圈安裝在溝槽和被密封面之間,有一定的公稱壓縮量Sq,由此產生的反彈力給予被密封面的光滑面和溝槽底部以初始的壓縮應力,從而起到預密封的作用,此時預密封的作用力應與O形密封圈與被密封面之間產生的摩擦力相等即:

Fe=0.2π2fξeEDd/(1-μ2)........................(1)

式中:Fe—環行接觸面積的初始摩擦力(N);

f—O形密封圈與被密封面之間的摩擦系數;

 ξe—O形密封圈的公稱壓縮率;

E—O形密封圈的彈性模量pa;

D—O形密封圈的外徑 mm;

d—O形密封圈的外截徑 mm;

μ—O形密封圈的泊桑系數 mm。

由于預密封的作用,O形密封圈與被密封面的光滑面和溝槽底部緊密接觸。這樣當流體通過間隙進入溝槽時,只能對O形密封圈密封圈的一側面起作用。當流體壓力超過O形密封圈的初始摩擦力Fe時,把O形密封圈推向溝槽的另一側面而擠成D形,并把壓力傳遞給接觸面。橡膠是一種粘彈性材料,因此在介質壓力的作用下所產生的附加摩擦力Fp與橡膠的硬度、彈性摸量和流體的壓力有關,綜合的來說即與O形密封圈的泊桑系數和流體的壓力有關,即:

Fp=πfμ(1+μ)PDd/(1-μ2)........................(2)

式中:Fp—在介質壓力的作用下所產生的附加摩擦力(N);

由于流體壓力的傳遞,O形密封圈的接觸應力大為提高。因此O形密封圈的總摩擦阻力F就等于Fe與Fp之和。

綜上可知:流體介質的壓力越大,O形密封圈的變形就越大,傳遞給接觸面的壓力就越大, O形密封圈的總摩擦阻力F就越大,從而使得O形密封圈的密封作用也越大。這種由流體介質的壓力自動增強密封效果的作用,叫做自密封作用。這就是O形密封圈不需要定期調整的原因。

三、 機械密封中O形密封圈溝槽尺寸的一般計算方法

1、 矩形溝槽的公稱槽深H、公稱壓縮量Sq、公稱壓縮率ξe的計算

當1mm≤d≤1.78mm時的計算公式

壓緊:H=0.719d;

       Sq=0.281d;

      ξe=0.281。

套緊:H=0.754d;

      Sq=0.246d;

      ξe=0.246。

液動:H=0.789d;

      Sq=0.211d;

      ξe=0.211。

氣動:H=0.869d;

      Sq=0.131d;

      ξe=0.131。

轉動:H=0.898d;

      Sq=0.102d;

      ξe=0.102。

當1.78mm<d≤10mm時的計算公式

壓緊:H=0.842d-0.219(±0.050 d);

      Sq=0.158d+0.219;

      ξe=0.158d+0.219/d。

套緊:H=0.883d-0.230(±0.040 d);

      Sq=0.158d+0.219;

      ξe=0.117d+0.230/d。

液動:H=0.924d-0.240(±0.030 d);

      Sq=0.076d+0.240;

      ξe=0.076+0.240/d。

氣動:H=0.967d-0.174(±0.015 d);

      Sq=0.033d+0.174;

      ξe=0.033+0.174/d。

轉動:H=0.974d-0.136(±0.010 d);

      Sq=0.026d+0.136;

      ξe=0.026+0.136/d。

2、 矩形溝槽(不裝擋圈)的槽寬尺寸B和槽底圓半徑R的計算

B=ζ(1+ξe1.5)d;

ζ的取值范圍:壓緊、套緊、液動ζ=1.2;氣動ζ=1.1;轉動ζ=1.05。

槽寬極限偏差為:0~0.25;

槽底圓半徑R=(0.10~0.12)d;

槽頂倒角圓半徑r=0.10~0.2。

3、 加裝擋圈的矩形溝槽的槽寬尺寸B1、B11和槽底圓半徑R的計算

加裝一個擋圈的矩形溝槽的槽寬尺寸B1=B+T;

加裝兩個擋圈的矩形溝槽的槽寬尺寸B1=B+2T;

T取值參見下表:

d d≤4 4<d≤6 d>6

T 1.5 2.0 3.0

4、1、2、3計算的條件及修正:

①O形圈硬度條件:60≤shoreA≤90;

②公稱填充率K:K≤90%;

公稱壓縮率ξe:⑴機械密封的靜止件:

有浮動性要求的:10%≤ξe≤15%;

無浮動性要求的:20%≤ξe≤30%;

⑵機械密封的補償件:5%≤ξe≤11%;

硬度高的取小值、硬度低的取大值。                                      

當根據1、2、3計算后不能同時滿足①、②、③三個條件的需要對上述計算進行修正,直至滿足要求為止。

上述計算僅供沒有標準可查時進行計算的。在實際工作中,O形密封圈的溝槽尺寸能查到相關標準的應根據標準設計,這樣可以節省設計時間。

四、 O形密封圈的拉伸量

O形密封圈在使用過程中,為了保證O形密封圈在裝入密封槽后不至于太松弛而出現扭曲現象,一般都需要一定的拉伸量。但拉伸量也不宜過大,過大了O形密封圈在拉伸狀態下受熱,則會產生劇烈的收縮(即所謂的橡膠焦耳熱效應),這樣,在O形密封圈隨設備振動的情況下會產生摩擦熱、收縮、緊箍離增加、產生摩擦熱....,如此循環往復,就會大大地促進O形密封圈的老化和磨損。因此要進行O形密封圈拉伸量的確定。所謂的拉伸量就是拉伸后的O形密封圈中徑與自然狀態時的中徑之比。即:

A=(D1+d1)/(D0-d);

式中:D1—槽底直徑(mm);

      d1—拉伸后O形密封圈截面直徑(mm);

      D0—O形密封圈的外徑(mm);

A—O形密封圈的拉伸量。

O形密封圈的拉伸量A的推薦值通常為1.01~1.05,一般取1.03,特殊情況下取1.05~1.1。

五、 O形密封圈的密封間隙

一定硬度的橡膠密封圈在一定的介質壓力作用下,如果密封間隙超過某一極限值時,則會發生擠隙現象。發生擠隙現象的最大徑向間隙即為最大密封間隙。一般最大密封間隙可按下表選定。

shoreA

介質壓力P(Mpa) 70 80 90

P≤1.72 ≤0.254 ≤0.254 ≤0.254

1.72<P≤3.45 ≤0.203 ≤0.254 ≤0.254

3.45<P≤6.89 ≤0.127 ≤0.203 ≤0.203

6.89<P≤10.34 ≤0.076 ≤0.127 ≤0.127

10.34<P≤13.79 —— ≤0.102 ≤0.127

13.79<P≤20.68 —— ≤0.076 ≤0.102

20.68<P≤34.47 —— —— ≤0.076

六、 結束語

以上總結了在機械密封設計過程中經常遇到的而又常常不被重視的環節。機械密封是較為精密的部件,泄漏點多,我們在此只是對機械密封設計過程中容易造成0形密封圈的失效部分進行了分析探討。在生產實際中機械密封中橡膠O形密封圈的失效有各種因素造成的,但作者認為產品的質量的好壞80%以上決定于產品圖紙的設計質量。因此,我們不要忽略或不重視設計過程中的任何一個細節問題,往往一個細節決定了機械密封設計是否成功的關鍵。

參考文獻:廣廷洪、王德濤主編的《密封件使用手冊》

作者簡介:

俞道善,1970年生于安徽合肥,職稱:工程師。1994年畢業于中國科學技術大學近代力學系。同年進入合肥電機廠從事潛水電泵中的軸、混流潛水電泵及其管道系統的設計。2006年至今從事機械密封的開發和研究工作,先后獲得多項專利。現擔任安徽中密機械科技有限公司總工程師一職。


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