【知识分享】O型圈永久变形的原因是什么?

2018-09-28 16:31 厦门三江盛达

    O形圈设计、使用不当会加速它的损坏,丧失密封性能。实验表明,如密封装置各部分设计合理,单纯地提高压力,并不会造成O形圈的破坏。在高压、高温的工作条件下,O形圈破坏的主要原因是O形圈材料的永久变形和O形圈被挤入密封间隙而引起的间隙咬伤一级O形圈在运动时出现扭曲现象。

永久变形
O型圈

  由于O形圈密封圈用的合成橡胶材料是属于粘弹性材料,所以初期设定的压紧量和回弹堵塞能力经长时间的使用,会产生永久变形而逐渐丧失,最终发生泄漏。永久变形和弹力消失是O形圈失去密封性能的主要原因,以下是造成永久变形的主要原因。

  1)压缩率和拉伸量与永久变形的关系

  制作O形圈所用的各种配方的橡胶,在压缩状态下都会产生压缩应力松弛现象,此时,压缩应力随着时间的增长而减小。使用时间越长、压缩率和拉伸量越大,则由橡胶应力松弛而产生的应力下降就越大,以致O形圈弹性不足,失去密封能力。因此,在允许的使用条件下,设法降低压缩率是可取的。增加O形圈的截面尺寸是降低压缩率最简单的方法,不过这会带来结构尺寸的增加。应该注意,人们在计算压缩率时,往往忽略了O形圈在装配时受拉伸而引起的截面高度的减小。O形圈截面面积的变化是与其周长的变化成反比的。同时,由于拉力的作用,O形圈的截面形状也会发生变化,就表现为其高度的减小。此外,在表面张力作用下,O形圈的外表面变得更平了,即截面高度略有减小。这也是O形密封圈压缩应力松弛的一种表现。O形圈截面变形的程度,还取决于O形圈材质的硬度。在拉伸量相同的情况下,硬度大的O形圈,其截面高度也减小较多,从这一点看,应该按照使用条件尽量选用低硬度的材质。在液体压力和张力的作用下,橡胶材料的O形密封圈也会逐渐发生塑性变形,其截面高度会相应减小,以致最后失去密封能力。

  2)温度与O形圈驰张过程的关系

  使用温度是影响O形圈永久变形的另一个重要因素。高温会加速橡胶材料的老化。工作温度越高,O形圈的压缩永久变形就越大。当永久变形大于40%时,O形圈就失去了密封能力而发生泄漏。因压缩变形而在O形圈的橡胶材料中形成的初始应力值,将随着O形圈的驰张过程和温度下降的作用而逐渐降低以致消失。温度在零下工作的O形圈,其初始压缩可能由于温度的急剧降低而减小或完全消失。在-50~-60℃的情况下,不耐低温的橡胶材料会完全丧失初始应力;即使耐低温的橡胶材料,此时的初始应力也不会大于20℃时初始应力的25%。这是因为O形圈的初始压缩量取决于线胀系数。所以,选取初始压缩量时,就必须保证在由于驰张过程和温度下降而造成应力下降后仍有足够的密封能力。温度在零下工作的O形圈,应特别注意橡胶材料的恢复指数和变形指数。

  综上所述,在设计上应尽量保证O形圈具有适宜的工作温度,或选用耐高、低温的O形圈材料,以延长使用寿命。

  3)介质工作压力与永久变形

  工作介质的压力是引起O形圈永久变形的主要因素。现代液压设备的工作压力正日益提高。长时间的高压作用会使O形圈发生永久变形。因此,设计时应根据工作压力选用适当的耐压橡胶材料。工作压力越高,所用材料的硬度和耐高压性能也应越高。为了改善O形圈材料的耐压性能,增加材料的弹性(特别是增加材料在低温下的弹性)、降低材料的压缩永久变形,一般需要改进材料的配方,加入增塑剂。但是,具有增塑剂的O形密封圈,长时间在工作介质中浸泡,增塑剂会逐渐被工作介质吸收,导致O形密封圈体积收缩,甚至可能使O形密封圈产生负压缩(即在O形密封圈和被密封件的表面之间出现间隙)。因此,在计算O形密封圈压缩量和进行模具设计时,应充分考虑到这些收缩量。应使压制出的O形密封圈在工作介质中浸泡5~10昼夜后仍能保持必要的尺寸。O形圈材料的压缩永久变形率与温度有关。当变形率在40%或更大时,即会出现泄漏,所以几种胶料的耐热性界限为:丁腈橡胶70℃,三元乙丙橡胶100℃,氟橡胶140℃。因此各国对O形圈的永久变形作了规定。中国标准橡胶材料的O形圈在不同温度下的尺寸变化见表。同一材料的O形圈,在同一温度下,截面直径大的O形圈压缩永久变形率较低。在油中的情况就不同了。由于此时O形圈不与氧气接触,所以上述不良反应大为减少。加之又通常会引起胶料有一定的膨胀,所以因温度引起的压缩永久变形率将被抵消。因此,在油中的耐热性大为提高。以丁腈橡胶为例,它的工作温度可达120℃或更高。