O形密封圈及密封圈槽的選配及應(yīng)用

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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 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 外徑測量不準(zhǔn)確 2 在設(shè)計(jì)新工具時 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 盈量太大時密封圈易被剪切損壞 太小時又容易失封 針對這種狀況 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 密封圈初始壓力 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 對于橡膠密封件 0 9 0 985 為密封圈材料的泊松比 對于橡膠密封件 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)體積不變原理 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 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 簡化計(jì)算 用 D d0 代替 D d1 計(jì)算 則式 2 可簡化為 3 簡化后計(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 法比較簡單 靈活 但是為保證密封長期有效地工作 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 對于圓柱面靜密封和往復(fù)動密封 10 15 對于平面靜密封 15 30 旋 轉(zhuǎn)動密封 3 8 低摩擦密封 5 8 選取密封圈壓縮率時主要應(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 一般都會有一定的拉伸量 但據(jù)所查閱的資料可知 尚未對 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 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 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 要特別注意 r 處 如果太尖 在承受高 壓時易損壞密封圈 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 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 流體動密封 東營 石油大學(xué)出版社 1990 327 347