7 Q! H3 Z' D7 q$ u' v& s6 X9 e圖1 密封圈接觸壓力分布
陳愛平 周忠亞
摘 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(shuō),，擠壓彈性體密封屬于自緊式密封。9 V( v+ l5 p& B5 b
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+Δpc(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,；
Δpc——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，Δpc=κp1,MPa,，其中κ為側(cè)壓系數(shù)，κ=υ/(1-υ),對(duì)于橡膠密封件κ≈0.9～0.985,；υ為密封圈材料的泊松比,，對(duì)于橡膠密封件，υ=0.48～0.496,。
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圖1 密封圈接觸壓力分布
要保持密封,，必須保證pc＞p1，而Δpc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(wú)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)閐1,，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,；+ \3 g6 F- W1 C+ w) x' L" Z
D——孔直徑,，mm；
δ——密封圈過盈量,，mm,；5 v3 a3 V+ m: P# f, i9 Q K/ g+ S3 O' N
d1——拉伸后的密封圈斷面直徑，mm,。
式(2)中,，δ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+δ-d0代替D+δ-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(lái)說(shuō),，d2值就已達(dá)到要求,，則密封圈槽底徑D1為
D1=D+δ-2d2(5)
現(xiàn)舉例說(shuō)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δ選為1.3mm,，則變形后的密封圈斷面直徑為
取d2=4.96mm,，則
D1=D+δ-2d2=127.38mm
結(jié)合孔徑
配上公差后，則槽底徑D1為
,。( `6 E' u" K% U2 [
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ε或過盈量δ 密封圈是典型的擠壓型密封,。如圖3所示,，其壓縮率ε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,，ε=10%～15%；對(duì)于平面靜密封,，ε=15%～30%,；旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封ε=3%～8%；低摩擦密封ε=5%～8%,。, r5 ~: j3 g0 c( v1 {/ X# `
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�,。蝗菓�(yīng)盡量避免永久性變形,。4 ^% C* Z* u! Y' u
與壓縮率ε相對(duì)應(yīng)的是過盈量δ,，過盈量δ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
孔直徑D尺寸范圍 | 過盈量δ | |
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,，δ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,。9 }2 N( \+ V, K: B4 E) R
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,。: G7 g4 d5 L# j; h
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,�,？紤]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,。! f j, c/ [5 I. h) K2 C
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。' `6 k8 y! ~) ]2 w' j9 o
(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., i$ l9 y) ~. R- e: j5 G& R @
地址
433123)湖北省潛江市.電話0728)6575950(辦)或6576895(宅)( f: q. ?+ U4 x
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
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