O形密封圈的主要失效原因
來(lái)源:深圳市澳佛特橡膠制品有限公司 發(fā)布日期:2016-04-20 瀏覽次數:1651
在-50~-60℃的情況下,不耐低溫的橡膠材料會(huì )完全喪失初始應力;即使耐低溫的橡膠材料,此時(shí)的初始應力也不會(huì )大于20℃時(shí)初始應力的25%。這是因為O形圈的初始壓縮量取決于線(xiàn)脹系數。
O形圈設計、使用不當會(huì )加速它的損壞,喪失密封性能。實(shí)驗表明,如密封圈裝置各部分設計合理,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O形圈在運動(dòng)時(shí)出現扭曲現象。
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,所以初期設定的壓緊量和回彈堵塞能力經(jīng)長(cháng)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)生壓縮應力松弛現象,此時(shí),壓縮應力隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)而減小。使用時(shí)間越長(cháng)、壓縮率和拉伸量越大,則由橡膠應力松弛而產(chǎn)生的應力下降就越大,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(guò)這會(huì )帶來(lái)結構尺寸的增加。
應該注意,人們在計算壓縮率時(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(cháng)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形密封圈壓縮應力松弛的一種表現。
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 )相應減小,以致最后失去密封能力。
2)溫度與O形圈馳張過(guò)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力值,將隨著(zhù)O形圈的馳張過(guò)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,其初始壓縮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 )完全喪失初始應力;即使耐低溫的橡膠材料,此時(shí)的初始應力也不會(huì )大于20℃時(shí)初始應力的25%。這是因為O形圈的初始壓縮量取決于線(xiàn)脹系數。所以,選取初始壓縮量時(shí),就必須保證在由于馳張過(guò)程和溫度下降而造成應力下降后仍有足夠的密封能力。
溫度在零下工作的O形圈,應特別注意橡膠材料的恢復指數和變形指數。
綜上所述,在設計上應盡量保證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(cháng)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代液壓設備的工作壓力正日益提高。長(cháng)時(shí)間的高壓作用會(huì )使O形圈發(fā)生永久變形。因此,設計時(shí)應根據工作壓力選用適當的耐壓橡膠材料。工作壓力越高,所用材料的硬度和耐高壓性能也應越高。
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(cháng)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,導致O形密封圈體積收縮,甚至可能使O形密封圈產(chǎn)生負壓縮(即在O形密封圈和被密封件的表面之間出現間隙)。因此,在計算O形密封圈壓縮量和進(jìn)行模具設計時(shí),應充分考慮到這些收縮量。應使壓制出的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)。當變形率在40%或更大時(shí),即會(huì )出現泄漏,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℃。因此各國對O形圈的永久變形作了規定。中國標準橡膠材料的O形圈在不同溫度下的尺寸變化見(jiàn)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120℃或更高。
2、間隙咬傷
被密封的零件存在著(zhù)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徑脹大等現象,都會(huì )引起密封間隙的擴大和間隙擠出現象的加劇。O形圈的硬度對間隙擠出現象也有明顯的影響。液體或氣體的壓力越高,O形圈材料硬度越小,則O形圈的間隙擠出現象越嚴重。
防止間隙咬傷的措施是,對O形密封圈的硬度和密封間隙加以嚴格的控制。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。
配用適當的密封圈保護擋圈,是防止O形圈被擠入間隙的有效方法。
3、扭曲現象
扭曲是指O形圈沿周向發(fā)生扭轉的現象,扭曲現象一般發(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,一般不大容易在往復在往復運動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生滾動(dòng)或扭曲,因為O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(lái)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),因為靜摩擦大于滑動(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(guò)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(guò)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(zhù)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象,可能使得O形圈的一部分壓縮過(guò)大,另一部分過(guò)小或不受壓縮。當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,在設計時(shí)應注意以下幾點(diǎn)
1)O形圈安裝溝槽的同心度大小,應從加工方便和不產(chǎn)生扭曲現象兩個(gè)方面來(lái)考慮。
2)O形圈斷面尺寸應均勻,并且在每次安裝時(shí)都應在密封部位充分涂抹潤滑油或潤滑脂。有時(shí)也可以采用浸透潤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大于靜密封用O形圈;此外,O形圈應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)采用低摩擦系數的材料制作O形密封圈。
7)可用不易產(chǎn)生扭曲現象的密封圈代替O形圈。
4、磨粒磨損現象
當密封的間隙具有相對運動(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(zhù)活塞桿的往復運動(dòng)與油膜一起被帶入缸內,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,在往復運動(dòng)式密封裝置的外伸軸端處必須使用防塵。
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