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O形密封圈的主要失效原因及其防治措施 O形圈設(shè)計(jì)、使用不當(dāng)會(huì)加速它的損壞，喪失密封性能。實(shí)驗(yàn)表明，如密封裝置各部分設(shè)計(jì)合理，單純地提高壓力，并不會(huì)造成O形圈的破壞。在高壓、高溫的工作條件下，O形圈破壞的主要原因是O形圈材料的永久變形和O形圈被擠入密封間隙而引起的間隙咬傷一級(jí)O形圈在運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。 1、 永久變形 由于O形圈密封圈用的合成橡膠材料是屬于粘彈性材料，所以初期設(shè)定的壓緊量和回彈堵塞能力經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)產(chǎn)生永久變形而逐漸喪失，最終發(fā)生泄漏。永久變形和彈力消失是O形圈失去密封性能的主要原因，以下是造成永久變形的主要原因。 1）壓縮率和拉伸量與永久變形的關(guān)系 制作O形圈所用的各種配方的橡膠，在壓縮狀態(tài)下都會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力松弛現(xiàn)象，此時(shí)，壓縮應(yīng)力隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。使用時(shí)間越長(zhǎng)、壓縮率和拉伸量越大，則由橡膠應(yīng)力松弛而產(chǎn)生的應(yīng)力下降就越大，以致O形圈彈性不足，失去密封能力。因此，在允許的使用條件下，設(shè)法降低壓縮率是可取的。增加O形圈的截面尺寸是降低壓縮率最簡(jiǎn)單的方法，不過這會(huì)帶來結(jié)構(gòu)尺寸的增加。 應(yīng)該注意，人們?cè)谟?jì)算壓縮率時(shí)，往往忽略了O形圈在裝配時(shí)受拉伸而引起的截面高度的減小。O形圈截面面積的變化是與其周長(zhǎng)的變化成反比的。同時(shí)，由于拉力的作用，O形圈的截面形狀也會(huì)發(fā)生變化，就表現(xiàn)為其高度的減小。此外，在表面張力作用下，O形圈的外表面變得更平了，即截面高度略有減小。這也是O形密封圈壓縮應(yīng)力松弛的一種表現(xiàn)。 O形圈截面變形的程度，還取決于O形圈材質(zhì)的硬度。在拉伸量相同的情況下，硬度大的O形圈，其截面高度也減小較多，從這一點(diǎn)看，應(yīng)該按照使用條件盡量選用低硬度的材質(zhì)。在液體壓力和張力的作用下，橡膠材料的O形密封圈也會(huì)逐漸發(fā)生塑性變形，其截面高度會(huì)相應(yīng)減小，以致最后失去密封能力。 2）溫度與O形圈馳張過程的關(guān)系 使用溫度是影響O形圈永久變形的另一個(gè)重要因素。高溫會(huì)加速橡膠材料的老化。工作溫度越高，O形圈的壓縮永久變形就越大。當(dāng)永久變形大于40%時(shí)，O形圈就失去了密封能力而發(fā)生泄漏。因壓縮變形而在O形圈的橡膠材料中形成的初始應(yīng)力值，將隨著O形圈的馳張過程和溫度下降的作用而逐漸降低以致消失。溫度在零下工作的O形圈，其初始?jí)嚎s可能由于溫度的急劇降低而減小或完全消失。在-50~-60℃的情況下，不耐低溫的橡膠材料會(huì)完全喪失初始應(yīng)力；即使耐低溫的橡膠材料，此時(shí)的初始應(yīng)力也不會(huì)大于20℃時(shí)初始應(yīng)力的25%。這是因?yàn)镺形圈的初始?jí)嚎s量取決于線脹系數(shù)。所以，選取初始?jí)嚎s量時(shí)，就必須保證在由于馳張過程和溫度下降而造成應(yīng)力下降后仍有足夠的密封能力。 溫度在零下工作的O形圈,應(yīng)特別注意橡膠材料的恢復(fù)指數(shù)和變形指數(shù)。 綜上所述，在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量保證O形圈具有適宜的工作溫度，或選用耐高、低溫的O形圈材料，以延長(zhǎng)使用壽命。 3）介質(zhì)工作壓力與永久變形 工作介質(zhì)的壓力是引起O形圈永久變形的主要因素?，F(xiàn)代液壓設(shè)備的工作壓力正日益提高。長(zhǎng)時(shí)間的高壓作用會(huì)使O形圈發(fā)生永久變形。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工作壓力選用適當(dāng)?shù)哪蛪合鹉z材料。工作壓力越高，所用材料的硬度和耐高壓性能也應(yīng)越高。 為了改善O形圈材料的耐壓性能，增加材料的彈性（特別是增加材料在低溫下的彈性）、降低材料的壓縮永久變形，一般需要改進(jìn)材料的配方，加入增塑劑。但是，具有增塑劑的O密封形圈，長(zhǎng)時(shí)間在工作介質(zhì)中浸泡，增塑劑會(huì)逐漸被工作介質(zhì)吸收，導(dǎo)致O形密封圈體積收縮，甚至可能使O形密封圈產(chǎn)生負(fù)壓縮（即在O形密封圈和被密封件的表面之間出現(xiàn)間隙）。因此，在計(jì)算O形密封圈壓縮量和進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到這些收縮量。應(yīng)使壓制出的O形密封圈在工作介質(zhì)中浸泡5~10晝夜后仍能保持必要的尺寸。 O形圈材料的壓縮永久變形率與溫度有關(guān)。當(dāng)變形率在40%或更大時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)泄漏，所以幾種膠料的耐熱性界限為：丁腈橡膠70℃，三元乙丙橡膠100℃，氟橡膠140℃。因此各國(guó)對(duì)O形圈的永久變形作了規(guī)定。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)橡膠材料的O形圈在不同溫度下的尺寸變化見表。同一材料的O形圈，在同一溫度下，截面直徑大的O形圈壓縮永久變形率較低。 在油中的情況就不同了。由于此時(shí)O形圈不與氧氣接觸，所以上述不良反應(yīng)大為減少。加之又通常會(huì)引起膠料有一定的膨脹，所以因溫度引起的壓縮永久變形率將被抵消。因此，在油中的耐熱性大為提高。以丁腈橡膠為例，它的工作溫度可達(dá)120℃或更高。 2、 間隙咬傷 被密封的零件存在著幾何精度（包括圓度、橢圓度、圓柱度、同軸度等）不良、零件之間不同心以及高壓下內(nèi)徑脹大等現(xiàn)象，都會(huì)引起密封間隙的擴(kuò)大和間隙擠出現(xiàn)象的加劇。O形圈的硬度對(duì)間隙擠出現(xiàn)象也有明顯的影響。液體或氣體的壓力越高，O形圈材料硬度越小，則O形圈的間隙擠出現(xiàn)象越嚴(yán)重。 防止間隙咬傷的措施是，對(duì)O形密封圈的硬度和密封間隙加以嚴(yán)格的控制。選用硬度合適的密封材料控制間隙。常用的O形圈的硬度范圍是HS60~90。低硬度者用于低壓，高硬度者用于高壓。 配用適當(dāng)?shù)拿芊馊ΡＷo(hù)擋圈，是防止O形圈被擠入間隙的有效方法。 3、 扭曲現(xiàn)象 扭曲是指O形圈沿周向發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，扭曲現(xiàn)象一般發(fā)生在動(dòng)密封狀態(tài)。 O形圈如果裝配的妥善，并且使用條件適當(dāng)，一般不大容易在往復(fù)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生滾動(dòng)或扭曲，因?yàn)镺形圈與溝槽的接觸面積大于在滑動(dòng)表面上的摩擦接觸面積，而且O形圈本身的抗拒能力原來就能阻止扭曲。摩擦力的分布也趨向保持O形圈在其溝槽中靜止不動(dòng)，因?yàn)殪o摩擦大于滑動(dòng)摩擦，而且溝槽表面的粗糙度一般不如滑動(dòng)表面的粗糙度。 引起扭曲損傷的原因很多，其中最主要的是由于活塞、活塞桿和缸筒的間隙不均勻、偏心過大、O形圈斷面直徑不均勻等造成，由于造成O形圈在一周多受的摩擦力不均勻，O形圈的某些部分摩擦過大，發(fā)生扭曲。通常，斷面尺寸較小的O形圈，容易產(chǎn)生摩擦不均勻。造成扭曲（運(yùn)動(dòng)用O形圈比固定用O形圈的斷面直徑大就是這個(gè)道理。） 另外，由于密封溝槽存在著同軸度偏差，密封高度不相等以及O形圈截面直徑不均勻等現(xiàn)象，可能使得O形圈的一部分壓縮過大，另一部分過小或不受壓縮。當(dāng)溝槽存在偏心即同軸偏差大于O形圈的壓縮量時(shí)，密封會(huì)完全失效。密封溝槽同軸度偏差大的另一個(gè)害處是使O形密封圈沿圓周壓縮不均。此外還有由于O形圈截面直徑、材質(zhì)硬度、潤(rùn)滑油膜厚度等的不均以及密封軸表面粗糙度等因素的影響，導(dǎo)致O形圈的一部分沿工作表面滑動(dòng)，另一部分則發(fā)生滾動(dòng)，從而造成O形圈的扭曲。運(yùn)動(dòng)用O形圈很容易因扭曲而損壞，這是密封裝置發(fā)生損壞和泄漏的重要原因。因此提高密封溝槽的加工精密度以及減小偏心是保證O形圈具有可靠的密封性和壽命的重要因素。 安裝密封圈不應(yīng)是它處于扭曲狀態(tài)。假如在安裝時(shí)就被扭曲，則扭曲損傷就會(huì)很快發(fā)生。在工作中，扭曲現(xiàn)象會(huì)將O形圈切斷，產(chǎn)生大量漏油，而且切斷的O形圈會(huì)混到液壓系統(tǒng)的其他部位，造成重大事故。 為了防止O形圈的扭曲損傷，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn) 1）O形圈安裝溝槽的同心度大小，應(yīng)從加工方便和不產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象兩個(gè)方面來考慮。 2）O形圈斷面尺寸應(yīng)均勻，并且在每次安裝時(shí)都應(yīng)在密封部位充分涂抹潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂。有時(shí)也可以采用浸透潤(rùn)滑油的氈圈式加油裝置。 3）加大O形圈的截面直徑，動(dòng)密封用O形密封圈的截面直徑一般應(yīng)大于靜密封用O形圈；此外，O形圈應(yīng)避免用作大直徑活塞的密封。 4）在低壓下也產(chǎn)生扭曲損傷時(shí)，可使用密封圈保護(hù)擋圈。 5）降低缸筒和活塞桿的表面粗糙度。 6）采用低摩擦系數(shù)的材料制作O形密封圈。 7）可用不易產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象的密封圈代替O形圈。 4、 磨粒磨損現(xiàn)象 當(dāng)密封的間隙具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作環(huán)境中的灰塵和沙粒等被粘附在活塞桿表面，并隨著活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與油膜一起被帶入缸內(nèi)，成為侵入O形密封圈表面的磨粒，加速O形圈的磨損，以致其失去密封性。為了避免這種情況發(fā)生，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)式密封裝置的外伸軸端處必須使用防塵圈。 5、 滑動(dòng)表面對(duì)O形圈的影響 滑動(dòng)表面的粗糙度是影響O形圈表面摩擦與磨損的直接因素。一般地說，表面光潔摩擦與磨損就小，所以滑動(dòng)表面的粗糙度數(shù)值往往很低（Ra0.2~0.050μm）。但是，試驗(yàn)表明，表面粗糙過低（Ra低于0.050μm）又會(huì)給摩擦與磨損帶來不利的影響。這是因?yàn)槲⑿〉谋砻姘纪共黄剑梢员３直匾臐?rùn)滑油膜。因此要選擇適當(dāng)?shù)谋砻嬉蟆? 滑動(dòng)表面的材質(zhì)對(duì)O形圈的壽命也有影響。滑動(dòng)表面材質(zhì)的硬度越大、耐磨性越高、保持光潔的能力就越強(qiáng)，O形圈的壽命也就越長(zhǎng)。這也是液壓缸活塞桿表面鍍鉻的重要原因。同理可以解釋具有同樣粗糙度的用銅、鋁合金制成的滑動(dòng)表面比鋼制滑動(dòng)表面對(duì)密封圈的摩擦與磨損更為嚴(yán)重，低硬度、大壓縮量的密封圈不如高硬度、小壓縮量的密封圈耐用的情況。 6、 摩擦力與O形圈的應(yīng)用 在動(dòng)密封裝置中，摩擦與磨損是O形圈損壞的重要影響因素。磨損程度主要取決于摩擦力的大小。當(dāng)液體壓力微小時(shí)，O形圈摩擦力的大小取決于它的預(yù)壓縮量。當(dāng)工作液體承受壓力時(shí)，摩擦力隨之工作壓力的增加而增大。在工作壓力小于20MPa的情況下，近似地呈線形關(guān)系。壓力大于20MPa時(shí)，隨著壓力的增加，O形圈與金屬表面接觸面積的增加也逐漸緩慢，摩擦力的增加也相應(yīng)緩慢。在正常情況下，O形圈的使用壽命隨著液體壓力的升高將會(huì)近似的呈平方關(guān)系而減小。 摩擦力的增加，使得旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸與O形密封圈之間產(chǎn)生大量的摩擦熱。由于多數(shù)O形圈都是用橡膠制成的，導(dǎo)熱性極差。因此，摩擦熱就會(huì)引起橡膠的老化，導(dǎo)致O形圈實(shí)效，破壞其密封性能。摩擦還會(huì)引起O形圈表面損傷，使壓縮量減小。