O形密封圈和密封圈槽的選配及應(yīng)用

陳愛(ài)平　周忠亞

    摘要　O形密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延長(zhǎng)密封圈無(wú)泄漏密封壽命的必要保證。據(jù)此提出一種選配兩者尺寸的理論計(jì)算方法，并以Y341—148注水封隔器所選密封圈的計(jì)算為例說(shuō)明，根據(jù)不同的密封圈可以計(jì)算出相應(yīng)的密封圈槽尺寸。為保證密封圈長(zhǎng)期有效地工作，還必須合理選擇其壓縮率、拉伸量和孔、軸配合精度等相關(guān)參數(shù)。選取壓縮率時(shí)，應(yīng)考慮有足夠的密封面接觸壓力、盡量小的摩擦力和避免密封圈的永久性變形。顧及到一般試制車(chē)間的加工水平和井下工具主要是靜密封的狀況，建議密封面的軸、孔配合應(yīng)優(yōu)先選用H8/e8。
   主題詞　密封圈　密封圈槽　選配　使用壽命

Selection of O-ring and calculation of O-ring groove size

Chen Aiping,Zhou Zhongya
(Research Institute of Oil Production Technology,Jianghan Petroleum Administration,Qianjiand City,Hubei Province)

   Rational matching of O-rings and O-ringgrooves is of great importance to p[rolonging the service life of O-rings.A method for selecting O-ring was presented.The sizes of the O-ring gtoove can be calculated according to various O-rings.To ensure long-term and effective work of the ring,the compressibility,tensile dimension and bore-shaft matching accuracy should be properly selected.
   Subject Concept Terms:O-ringO-ring groove matching service life

　　用O形密封圈(以下簡(jiǎn)稱密封圈)密封是最常用的一種密封方式，然而至關(guān)重要的是如何正確地選擇密封圈和設(shè)計(jì)密封圈槽尺寸。常規(guī)的方法是將密封圈套在寶塔上用游標(biāo)卡尺測(cè)量外徑，再確定其相應(yīng)尺寸。這種方法的弊端是：(1)密封圈是彈性體，外徑測(cè)量不準(zhǔn)確；(2)在設(shè)計(jì)新工具時(shí)，往往沒(méi)有現(xiàn)成的密封圈，難以確定尺寸，其過(guò)盈量往往掌握不準(zhǔn)。過(guò)盈量太大時(shí)密封圈易被剪切損壞，太小時(shí)又容易失封。針對(duì)這種狀況，筆者提出一種選配密封圈的理論計(jì)算方法（指外密封圈），以供參考、討論。

    密封圈的密封機(jī)理［1］

    密封圈密封屬于擠壓彈性體密封，是靠密封環(huán)預(yù)先被擠壓由彈性變形產(chǎn)生預(yù)緊力，同時(shí)工作介質(zhì)壓力也擠壓密封環(huán)，使之產(chǎn)生自緊力。也就是說(shuō)，擠壓彈性體密封屬于自緊式密封。
　　 密封圈在介質(zhì)壓力p1作用下，其受力狀況如圖1所示，產(chǎn)生的接觸壓力為

pc=pco+Δpc(1)

式中　pc——介質(zhì)壓力下的總接觸壓力，MPa；

pco——密封圈初始?jí)毫�，稱之為預(yù)接觸壓力，MPa；
Δpc——介質(zhì)壓力經(jīng)密封圈傳遞給接觸面的接觸壓力，稱為介質(zhì)作用接觸壓力，Δpc=κp1,MPa，其中κ為側(cè)壓系數(shù)，κ=υ/(1-υ),對(duì)于橡膠密封件κ≈0.9～0.985；υ為密封圈材料的泊松比，對(duì)于橡膠密封件，υ=0.48～0.496。

圖1　密封圈接觸壓力分布

　　要保持密封，必須保證pc＞p1，而Δpc永遠(yuǎn)小于p1，故應(yīng)保持足夠的預(yù)接觸壓力pco，即密封圈要有足夠的預(yù)壓縮率，才能保證密封。但如果預(yù)壓縮率太大，又會(huì)影響密封圈的工作壽命，因此密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延長(zhǎng)密封圈無(wú)泄漏密封壽命的必要保證。

        密封圈及密封圈槽的選配方法

    內(nèi)密封圈的選配比較簡(jiǎn)單，不再贅述，這里只介紹一種外密封圈的選配方法。
　　 假定孔、軸直徑分別為D、d，所選密封圈為D0×d0，問(wèn)題是如何確定密封圈槽的底徑D1，如圖2所示。

圖2　密封圈及密封圈槽尺寸

　　密封圈被套在密封圈槽上之后，一般都有一定的拉伸量，其斷面直徑d0變小了，假定變?yōu)閐1，根據(jù)體積不變?cè)�理，則密封圈安裝前后的體積相等，即

(2)

式中　D0——密封圈外徑，mm；

d0——密封圈斷面直徑，mm；
D——孔直徑，mm；
δ——密封圈過(guò)盈量，mm；
d1——拉伸后的密封圈斷面直徑，mm。
　　 式(2)中，δ值可根據(jù)D值從表1中選取，D0、d0為已知值，則可計(jì)算出d1。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，用D+δ-d0代替D+δ-d1計(jì)算，則式(2)可簡(jiǎn)化為

(3)

簡(jiǎn)化后計(jì)算出的d1值有一定的誤差，將d1再回歸到式(3)中計(jì)算，求出d2，即

(4)

式中　d2——拉伸后的密封圈斷面直徑，mm。

　　如此類(lèi)推，可計(jì)算出d3、d4……,一般來(lái)說(shuō)，d2值就已達(dá)到要求，則密封圈槽底徑D1為

  D1=D+δ-2d2(5)

　　現(xiàn)舉例說(shuō)明以上計(jì)算，如Y341—148注水封隔器活塞孔、軸尺寸為�J136H9/d9(孔為�J136 +0.10mm)，所選密封圈為�J135mm×5mm，過(guò)盈量δ選為1.3mm，則變形后的密封圈斷面直徑為

　　取d2=4.96mm，則

D1=D+δ-2d2=127.38mm

　　結(jié)合孔徑�J配上公差后，則槽底徑D1為。
　　 假定沒(méi)有�J135mm×5mm的密封圈，只有�J132mm×5mm的密封圈，則密封圈槽底徑可用同樣方法算得，即配上公差后D1為�J。
　　 由以上計(jì)算可知，根據(jù)不同的密封圈，可以計(jì)算出不同的密封圈槽尺寸，可見(jiàn)這種方法比較簡(jiǎn)單、靈活。但是為保證密封長(zhǎng)期有效地工作，還必須合理選擇其壓縮率、拉伸量和孔軸配合精度等相關(guān)參數(shù)。

       相關(guān)參數(shù)的確定與應(yīng)用

1.壓縮率ε或過(guò)盈量δ
    密封圈是典型的擠壓型密封。如圖3所示，其壓縮率ε通常由下式表示

式中　h0——密封圈槽底至被密封面的距離，mm。

圖3　密封圈壓縮率

　　對(duì)于圓柱面靜密封和往復(fù)動(dòng)密封，ε=10%～15%；對(duì)于平面靜密封，ε=15%～30%；旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封ε=3%～8%；低摩擦密封ε=5%～8%。
　　 選取密封圈壓縮率時(shí)主要應(yīng)考慮的因素，一是要有足夠的密封面接觸壓力；二是摩擦力應(yīng)盡量小；三是應(yīng)盡量避免永久性變形。
　　 與壓縮率ε相對(duì)應(yīng)的是過(guò)盈量δ，過(guò)盈量δ表示密封圈的預(yù)壓縮情況，其推薦值見(jiàn)表1。

        表1基本尺寸與過(guò)盈量關(guān)系推薦值    mm

注：井下工具用密封圈多為靜密封，δ值應(yīng)從靜密封欄中選取。
2.拉伸量
    密封圈裝入密封圈槽后，一般都會(huì)有一定的拉伸量。但據(jù)所查閱的資料可知，尚未對(duì)拉伸量有明確的定義。根據(jù)筆者的理解，拉伸量應(yīng)是拉伸后的密封圈中徑與自然狀態(tài)時(shí)的中徑之比，即

a=(D1+d2)/(D0-d0)(6)

式中　a——密封圈的拉伸量，mm。
a的通常推薦值為1.01～1.05。筆者一般取值為1.05，特殊情況下，甚至取為1.1。為了保證密封圈裝入密封圈槽后不至太松，a值取得稍大。
3.密封圈槽的寬度與形狀
    一般推薦的密封圈槽尺寸見(jiàn)表2，其形狀如圖4所示。槽寬大致為密封圈斷面直徑的1.3倍，而平時(shí)設(shè)計(jì)中往往是密封圈槽寬度與密封圈斷面直徑相等，或者不論密封圈斷面直徑多大，密封圈比槽寬0.5mm。采用這種尺寸設(shè)計(jì)的弊端是：(1)用起子或鐵釬撬密封圈時(shí)，容易損壞密封圈槽，尤其是內(nèi)密封圈槽，這將降低其耐壓差能力；(2)孔、軸相套時(shí)，由于密封圈有預(yù)過(guò)盈量，槽太窄易剪切密封圈。因此，今后在設(shè)計(jì)密封圈槽寬時(shí)應(yīng)規(guī)范尺寸。在加工r為0.1～0.2和R為0.2～0.5的圓弧時(shí)，要特別注意r處，如果太尖，在承受高壓時(shí)易損壞密封圈，需用砂布將其稍稍打鈍。

表2　密封圈槽的尺寸［1］mm

圖4　密封圈槽的標(biāo)準(zhǔn)形狀

4.軸孔配合公差
    在承受大于16MPa以上壓差時(shí)，孔、軸配合一般推薦為H8/f8或H8/f7，在承受高壓情況下，還要安裝密封擋環(huán)［1］。而井下工具工作壓力一般超過(guò)16MPa，所用孔、軸配合常常采用H9/d9、H10/d10、H10/c10，甚至H11/c11，一方面精度等級(jí)較低，另一方面軸、孔間隙太大。這就要求密封圈的過(guò)盈量也要大。如Y241—150酸化壓裂封隔器的軸、孔配合采用H8/e8，Y341—148堵水封隔器采用H9/d9，軸、孔基本尺寸相同的酸化壓裂封隔器密封圈的過(guò)盈量比堵水封隔器的小，密封效果就好。
　　 相同精度等級(jí)軸、孔的配合間隙不同，其受力狀況是有區(qū)別的，如H10/c10的軸、孔間隙比H10/d10大，密封圈在相同壓力p1作用下，其受剪切力的面積大，則總作用力就大，密封圈損壞的可能性加大，但如果軸、孔間隙過(guò)小，則軸、孔的同軸度要求更高，加工難度增大。
　　 如果片面追求高精度，勢(shì)必增加加工難度和成本�？紤]到試制車(chē)間的加工水平及井下工具的實(shí)際工作狀況（主要是靜密封），筆者建議密封圈密封面的軸、孔配合應(yīng)優(yōu)先選用H8/e8，在使用要求不高的情況下，也可選用H9/e9。
5.橡膠硬度
    在工作壓力8～16MPa范圍內(nèi)，橡膠推薦硬度為70～80HS；16～32MPa范圍內(nèi)，推薦硬度為80～90HS。應(yīng)加強(qiáng)密封圈進(jìn)貨質(zhì)量檢驗(yàn)。

      建　議

(1)密封圈槽的尺寸和形狀應(yīng)規(guī)范設(shè)計(jì)，不可隨心所欲。
(2)為保證密封圈長(zhǎng)期有效地工作，必須合理選擇壓縮率（或過(guò)盈量）、拉伸量和孔軸配合精度等。
(3)密封圈及密封圈槽的選配可由計(jì)算求得。

    陳愛(ài)平,助理工程師,生于1966年,1987年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校礦機(jī)專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事井下工雎具研究工作.
地址:(433123)湖北省潛江市.電話:(0728)6575950(辦)或6576895(宅)
陳愛(ài)平（江漢石油管理局采油工藝研究院）
周忠亞（江漢石油管理局采油工藝研究院）

參　考　文　獻(xiàn)

［1］顧永泉.流體動(dòng)密封.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1990:327～347