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o形圈的使用研究

作者:www.yygm.net 时间:2015-04-15 14:56

摘要:超高压密封问题是工业中的一个很棘手的难题。而对于压力容器等安全性要求很高的产品,除了要实现设计功能外,还要注       意安全。该文以“弹体耐超高压自动检测系统设计”为例,针对实际超高压密封难的问题,提出使用普通O形橡胶圈解决问题的新方案。重点讨论了在设计时如何进行O形圈结构尺寸、材料的选择、沟槽尺寸的确定以及要注意的问题。试验结果表明,这种方法简单、实用、高效,同时也拓宽了普通O形圈的使用范围。


0引言 
    在液压系统及其元件中,设计、安置密封装置和密封元件的作用,在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。因此,密封件的选择及其密封效果直接影响到产品的性能。
    在压力容器的质量检测中,水压试验是军品生产的一道关键工序,是检测弹体内腔与外部是否存在微孔,以免炮弹在炮膛内受冲击波影响而发生膛炸。用于试验的水压机的设计既要解决被测弹体的定位问题,又要防止在加水压的过程中弹体被顶起来,从而影响测量结果和造成事故。
    现要设计一台水压试验机,其技术要求为:水压应在控制范围10~46 MPa内可调,并且稳定在设定值精度±0.5 MPa;弹体内膛口径最小为34 mm,最大为130 mm,弹体高度最小为196 mm,最大为560 mm,设计时要考虑到足够的行程,有关零件要考虑到可换保压时间为10 s,精度±0.5 s;油压要保证在高压水下能压紧弹体;系统应能检测出弹体任何部位发生的渗漏现象,尤其是微渗现象;测试效率为1500~2000 p/6h。
    由上述技术参数可以看出,水压部分的密封属于超高压密封。本文针对此问题,提出了用普通O形橡胶圈来解决的新思路。本文着重介绍了设计过程中,O形橡胶圈结构尺寸、材料的选择、沟槽尺寸的确定以及要注意的问题。
1橡胶密封件的材料、适用条件及参数选择
1.1橡胶密封件的材料要求、适用条件
1)材料要求
    橡胶密封圈的密封作用主要是借安装时的预压力和在工作时由工作介质的压力使密封圈产生变形来达到的。密封圈密封性能的好坏,直接影响着液压元件的工作,因此对密封圈材料提出如下要求:在动力油中有较好的稳定性,即体积变化小(不易膨胀及收缩)难溶解、软化和硬化;在动力油中压缩复原性大,永久变形小;有适当的机械强度,受动力油影响后机械强度变化小;耐热性、耐寒性及吸振性能好;耐磨性好,摩擦系数小;材质密致,漏损小;与金属接触不相互起作用,如粘着、腐蚀等;易制造,尺寸精度高,价格便宜。常用的材料是丁腈橡胶,其具体特点及应用如表1[1]所示。

2)适用条件
    O形橡胶密封圈用于液压与气动元件中的往复运动、回转运动和螺旋运动的密封、固定密封和法兰密封等,可用于内径密封,也可用于外径密封。
工作压力:0~32 MPa,温度:-35℃~+200℃,工作介质:一般矿物质液压油、润滑油、水和压缩空气。
    O形橡胶密封圈具有结构简单、密封性能良好、摩擦力小、沟槽尺寸小、易制造等优点,所以目前在液压与气动元件中广泛应用。

1.2O形橡胶圈的参数选择
    静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈虽小,却是一种精密的橡胶制品,在复杂的使用条件下,具有较好的尺寸稳定性和保持自身特性的性能。在设计选用时,根据使用条件选择适宜的材料和尺寸,并采取合理的安装维护措施,才能达到较满意的密封效果。在选择O形密封圈时应考虑到以下几点。
1)压缩率
    O形圈是通过安装在沟槽内被配合件压缩产生弹性接触压力实现密封的。因此,压缩率是主要的设计参数,它的大小直接影响密封性能和寿命。压缩率小,密封性不好,在油液压力作用下容易翻转、咬边;压缩率大,摩擦阻力增大,接触压力增大,容易产生压裂、变形、扭曲,装配困难。合理选择压缩率是很重要的。压缩率按下式计算:
ε=[(d-h)/d]×100%
式中d———O形圈截面直径(mm)
            h———密封槽的深度(mm)
    压缩率一般在7%~30%的范围内选取。静密封选大值,动密封选稍小值,见表2。
安装沟槽的加工精度是影响压缩率的重要因素。虽然沟槽尺寸已经标准化了,但非标准设计或加工时出现过深或过浅,相互配合件的密封接触面的几何精度超差,都会使O形圈安装后达不到均匀或准确的压缩量。
2)拉伸量和密封间隙
    O形圈的内径一般都小于沟槽底径,使O形圈处于拉伸状态,保持一定的拉伸量。平面静密封时不应使O形圈处于拉伸状态,而应处于自由状态。拉伸量的大小对O形圈的寿命影响很大。过大,不仅装配困难,而且会因截面直径缩小使压缩率降低而导致泄漏。轴径固定密封的拉伸量一般取3%~4%,往复运动时取2%~3%,旋转运动密封的O形圈不应有拉伸,其内径可比轴径大5%左右。


    在实际使用中,O形圈常有“咬边”现象发生。这主要是由于密封间隙过大,在液压力的作用下,把O形圈挤入间隙所致。所谓密封间隙是指相互配合件间的间隙。一般情况下,高压下的密封间隙应比低压时小,而且橡胶硬度也应适当提高。当压力超过10 MPa时,为防止密封圈被挤入间隙内,常在沟槽受压一侧设置聚四氟乙烯挡圈。如果是双向受力,则两侧各设置一个挡圈。密封间隙大小的确定与O形圈截面直径、胶料硬度也有关系。在不同压力等级、不同截面直径和硬度下的密封间隙允许值可参照GBl235—76中规定的数据确定。
3)沟槽宽度、形式和粗糙度
    安装O形圈的构槽有多种形式,如矩形、三角形、Y形、燕尾形、半圆形、斜底形等,可根据不同的使用条件来选择适当的沟槽形式,不能—概而论。使用最多的沟槽是矩形,其加工简便,但容易引起密封圈咬边、扭转等现象。
    矩形沟槽的宽度不能过大和过小。大了,密封圈在液压力、摩擦力的作用下容易产生扭转;小了,压缩量无处可容,会产生挤破和撕裂。一般情况下,沟槽宽度是密封圈截面直径的1.3~1.5倍。静密封的压缩量较大,宽度取大值,往复运动时取稍小值。旋转运动的密封沟槽宽度应为截面直径的1.0~1.1倍。
    与O形圈接触的配偶件材料和表面粗糙度直接影响它们的摩擦阻力、密封性能和使用寿命,因此与O形圈接触的滑动件材料要较硬、耐磨,表面粗糙度Ra值在0.32~0.63μm之间。沟槽的表而粗糙度Ra一般不大于1.6~3.2μm。
2O形橡胶圈在模具设计中的应用
2.1工装模具的设计背景
     本课题的任务是设计一个军工上用来检测炮弹弹壳是否有裂纹的全自动实时检测系统。其原理是把弹壳夹紧在工作台上,往弹壳里注入35 MPa高压水,让其保压一段时间,通过高精度压力传感器来检测弹壳内水压变化情况。如果水压变化超过一定的量值,则说明弹壳有裂纹或泄漏,从而判断此弹壳为废品。整个设备有2个模具,一个是在弹壳内部注入高压水时,用来压紧弹壳不上窜的液压夹紧模具,另一个是用来放置弹壳并起到定位作用的模具,该模具就涉及到高压水的密封问题。下面着重介绍第2种模具的结构及密封圈的选用。
2.1.1模具的结构设计及尺寸确定
    由图1可知,模具中央是32°的锥孔,而不是跟弹壳相仿的圆弧,这是考虑到互换性的缘故。因为受加工条件和技术的影响,加工出来的圆弧跟弹壳很难吻合,而且弹壳的型号很多,圆弧不可能跟类似型号的弹壳都吻合,而用锥孔就可以解决上述问题,类似型号的互换性很好。

    另外,在锥孔的中部开了一个槽,用于放置密封圈。密封圈的作用是保证模具与被测弹体口部有良好接触,并提供可靠密封,防止检测过程中高压水溢出,而影响测量结果甚至造成事故。
2.1.2端面密封和径向密封的比较
    压力载荷使密封力有增加趋势者叫自紧密封。自紧程度以几何平衡比体现,它是流体压力作用面积对密封面积之比值K。高压静密封的几何平衡比一般大于3,动密封的几何平衡比一般为0.5~1.5。
    密封压力平衡是端面密封设计需要考虑的首要问题之一。这是因为一方面在流体膜端面密封中的端面载荷应足够低,以防止产生高热和高磨损;另一方面又必须使密封在任何工况下都保持接触或者保持紧密间隙。
     端面密封常用的密封件有:紫铜垫、金属骨架复合垫、密封环、密封碗、膜片、波纹管等。紫铜垫易变形,且形变后无法恢复,因此在工作过程中要经常更换,否则无法达到密封效果。而金属骨架复合垫的型号有限,如果没有所需型号,则要订做,成本很高。
另外,由表3可以看出35 MPa压力应该属于超高压范围。由于密封压力很高,所以不适宜用端面密封。
由于被测件的加工精度较高,外形为圆弧形结构,比较适合使用径向密封。
2.1.3密封圈的选用
    被测件与模具之间显然是静密封,但因工作压力高,稍有意外,就会引起过量的外漏,从而影响测量结果。另外,35 MPa的超高压水的杀伤力很大,会造成人身事故。因此,选择密封件时要注意。
     由于是高压静密封,取O形圈的压缩率为20%,可由公式(1)计算出所需O形圈截面直径2.65 mm,再综合考虑到拉伸量和密封间隙,最终选取材料为高硬度丁腈橡胶,标记为:65×2.65GB3452.1-82。
    值得注意的是:由于是锥形内孔,沟槽尺寸设计时除了要按照GB3452.3-88的标准进行,还要考虑到沟槽上边沿尺寸要比O形圈的中径小,下边沿尺寸要比O形圈的内径大,这样才能满足设计要求。
2.2试验结果
   表4的试验数据是由高精度传感器测得,并经过换算得到的。试验证明,该设计是符合要求的。

3结束语

超高压密封的形式和密封件种类繁多,本文提出用普通O形橡胶密封圈来解决超高压密封问题也只是一次尝试。但是试验结果表明,密封效果较好。本文用实例证明了O形橡胶密封圈是一种用途很广泛的密封件。总之,有关O形橡胶密封圈等密封件的应用还有很多值得研究的地方。



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