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O 形密封圈和密封圈槽的選配及應(yīng)用 陳愛平 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) 往往沒有現(xiàn)成的密封圈 難以確定尺寸 其過盈量往往掌握不準(zhǔn) 過 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 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 pc 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 pc 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 pc p1 MPa 其中 為側(cè)壓系數(shù) 1 對(duì)于橡膠密封件 0 9 0 985 為密封圈材料的泊松比 對(duì)于橡膠密封件 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 pc 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)?d1 根據(jù)體積不變?cè)?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 密封圈過盈量 mm d1 拉伸后的密封圈斷面直徑 mm 式 2 中 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 d0 代替 D 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 如此類推 可計(jì)算出 d3 d4 一般來說 d2 值就已達(dá)到要求 則密封圈槽底徑 D1 為 D1 D 2d2 5 現(xiàn)舉例說明以上計(jì)算 如 Y341 148 注水封隔器活塞孔 軸尺寸為 136H9 d9 孔為 136 0 10mm 所選密封圈為 135mm 5mm 過盈量 選為 1 3mm 則變形后的密封圈 斷面直徑為 取 d2 4 96mm 則 D1 D 2d2 127 38mm 結(jié)合孔徑 配上公差后 則槽底徑 D1 為 假定沒有 135mm 5mm 的密封圈 只有 132mm 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 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 或過盈量 密封圈是典型的擠壓型密封 如圖 3 所示 其壓縮率 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 10 15 對(duì)于平面靜密封 15 30 旋 轉(zhuǎn)動(dòng)密封 3 8 低摩擦密封 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 相對(duì)應(yīng)的是過盈量 過盈量 表示密封圈的預(yù)壓縮情況 其推薦值 見表 1 表 1 基本尺寸與過盈量關(guān)系推薦值 mm 過盈量 孔直徑 D 尺寸范圍 動(dòng)密封 靜密封 30 0 25 0 33 0 3 0 4 30 50 0 35 0 50 0 4 0 6 50 80 0 50 0 70 0 6 0 8 80 120 0 70 1 00 0 8 1 2 120 1 00 1 40 1 2 1 6 注 井下工具用密封圈多為靜密封 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 密封圈斷面直徑 d0 槽寬 B R r 1 9 2 5 0 2 0 1 2 4 3 2 0 2 0 1 3 1 4 0 0 3 0 1 3 5 4 5 0 3 0 1 4 6 6 1 0 4 0 2 5 7 7 5 0 4 0 2 8 6 11 0 0 5 0 2 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 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 考慮到試制車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