O型密封圈的主要失效原因及其防治措施
O型圈設(shè)計、使用不當(dāng)會加速它的損壞，喪失密封性能。實驗表明，如密封裝置各部分設(shè)計合理，單純地提高壓力，并不會造成O型圈的破壞。在高壓、高溫的工作條件下，O型圈破壞的主要原因是O型圈材料的永久變形和O型圈被擠入密封間隙而引起的間隙咬傷一級O型圈在運動時出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。
1、永久變形
由于O型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(shè)定的壓緊量和回彈堵塞能力經(jīng)長時間的使用，會產(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型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型圈所用的各種配方的橡膠，在壓縮狀態(tài)下都會產(chǎn)生壓縮應(yīng)力松弛現(xiàn)象，此時，壓縮應(yīng)力隨著時間的增長而減小。使用時間越長、壓縮率和拉伸量越大，則由橡膠應(yīng)力松弛而產(chǎn)生的應(yīng)力下降就越大，以致O型圈彈性不足，失去密封能力。因此，在允許的使用條件下，設(shè)法降低壓縮率是可取的。增加O型圈的截面尺寸是降低壓縮率最簡單的方法，不過這會帶來結(jié)構(gòu)尺寸的增加。
應(yīng)該注意，人們在計算壓縮率時，往往忽略了O型圈在裝配時受拉伸而引起的截面高度的減小。O型圈截面面積的變化是與其周長的變化成反比的。同時，由于拉力的作用，O型圈的截面形狀也會發(fā)生變化，就表現(xiàn)為其高度的減小。此外，在表面張力作用下，O型圈的外表面變得更平了，即截面高度略有減小。這也是O型密封圈壓縮應(yīng)力松弛的一種表現(xiàn)。
O型圈截面變形的程度，還取決于O型圈材質(zhì)的硬度。在拉伸量相同的情況下，硬度大的O型圈，其截面高度也減小較多，從這一點看，應(yīng)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型密封圈也會逐漸發(fā)生塑性變形，其截面高度會相應(yīng)減小，以致最后失去密封能力。
2).溫度與O型圈馳張過程的關(guān)系
使用溫度是影響O型圈永久變形的另一個重要因素。高溫會加速橡膠材料的老化。工作溫度越高，O型圈的壓縮永久變形就越大。當(dāng)永久變形大于40%時，O型圈就失去了密封能力而發(fā)生泄漏。因壓縮變形而在O型圈的橡膠材料中形成的初始應(yīng)力值，將隨著O型圈的馳張過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型圈，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℃情況下，不耐低溫的橡膠材料會完全喪失初始應(yīng)力;即使耐低溫的橡膠材料，此時的初始應(yīng)力也不會大于20℃時初始應(yīng)力的25%。這是因為O型圈的初始壓縮量取決于線脹系數(shù)。所以，選取初始壓縮量時，就必須保證在由于馳張過程和溫度下降而造成應(yīng)力下降后仍有足夠的密封能力。溫度在零下工作的O型圈,應(yīng)特別注意橡膠材料的恢復(fù)指數(shù)和變形指數(shù)。
綜上所述，在設(shè)計上應(yīng)盡量保證O型圈具有適宜的工作溫度，或選用耐高、低溫的O型圈材料，以延長使用壽命。
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型圈永久變形的主要因素。現(xiàn)代液壓設(shè)備的工作壓力正日益提高。長時間的高壓作用會使O型圈發(fā)生永久變形。因此，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工作壓力選用適當(dāng)?shù)哪蛪合鹉z材料。工作壓力越高，所用材料的硬度和耐高壓性能也應(yīng)越高。
為了改善O型圈材料的耐壓性能，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，一般需要改進材料的配方，加入增塑劑。但是，具有增塑劑的O密封形圈，長時間在工作介質(zhì)中浸泡，增塑劑會逐漸被工作介質(zhì)吸收，導(dǎo)致O型密封圈體積收縮，甚至可能使O型密封圈產(chǎn)生負壓縮(即在O型密封圈和被密封件的表面之間出現(xiàn)間隙)。因此，在計算O型密封圈壓縮量和進行模具設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到這些收縮量。應(yīng)使壓制出的O型密封圈在工作介質(zhì)中浸泡5~10晝夜后仍能保持必要的尺寸。
O型圈材料的壓縮永久變形率與溫度有關(guān)。當(dāng)變形率在40%或更大時，即會出現(xiàn)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型圈的永久變形作了規(guī)定。中國標(biāo)準(zhǔn)橡膠材料的O型圈在不同溫度下的尺寸變化見表。同一材料的O型圈，在同一溫度下，截面直徑大的O型圈壓縮永久變形率較低。
在油中的情況就不同了。由于此時O型圈不與氧氣接觸，所以上述不良反應(yīng)大為減少。加之又通常會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(nèi)徑脹大等現(xiàn)象，都會引起密封間隙的擴大和間隙擠出現(xiàn)象的加劇。O型圈的硬度對間隙擠出現(xiàn)象也有明顯的影響。液體或氣體的壓力越高，O型圈材料硬度越小，則O型圈的間隙擠出現(xiàn)象越嚴重。
防止間隙咬傷的措施是，對O型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型圈的硬度范圍是HS60~90。低硬度者用于低壓，高硬度者用于高壓。配用適當(dāng)?shù)拿芊馊ΡＷo擋圈，是防止O型圈被擠入間隙的有效方法。
3、扭曲現(xiàn)象
扭曲是指O型圈沿周向發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，扭曲現(xiàn)象一般發(fā)生在動密封狀態(tài)。
O型圈如果裝配的妥善，并且使用條件適當(dāng)，一般不大容易在往復(fù)在往復(fù)運動狀態(tài)下產(chǎn)生滾動或扭曲，因為O型圈與溝槽的接觸面積大于在滑動表面上的摩擦接觸面積，而且O型圈本身的抗拒能力原來就能阻止扭曲。摩擦力的分布也趨向保持O型圈在其溝槽中靜止不動，因為靜摩擦大于滑動摩擦，而且溝槽表面的粗糙度一般不如滑動表面的粗糙度。
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、偏心過大、O型圈斷面直徑不均勻等造成，由于造成O型圈在一周多受的摩擦力不均勻，O型圈的某些部分摩擦過大，發(fā)生扭曲。通常，斷面尺寸較小的O型圈，容易產(chǎn)生摩擦不均勻造成扭曲(運動用O型圈比固定用O型圈的斷面直徑大就是這個道理)。
另外，由于密封溝槽存在著同軸度偏差，密封高度不相等以及O型圈截面直徑不均勻等現(xiàn)象，可能使得O型圈的一部分壓縮過大，另一部分過小或不受壓縮。當(dāng)溝槽存在偏心即同軸偏差大于O型圈的壓縮量時，密封會完全失效。密封溝槽同軸度偏差大的另一個害處是使O型密封圈沿圓周壓縮不均。
此外還有由于O型圈截面直徑、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(dǎo)致O型圈的一部分沿工作表面滑動，另一部分則發(fā)生滾動，從而造成O型圈的扭曲。運動用O型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型圈具有可靠的密封性和壽命的重要因素。
安裝密封圈不應(yīng)是它處于扭曲狀態(tài)。假如在安裝時就被扭曲，則扭曲損傷就會很快發(fā)生。在工作中，扭曲現(xiàn)象會將O型圈切斷，產(chǎn)生大量漏油，而且切斷的O型圈會混到液壓系統(tǒng)的其他部位，造成重大事故。
為了防止O型圈的扭曲損傷，在設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：
1).O型圈安裝溝槽的同心度大小，應(yīng)從加工方便和不產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象兩個方面來考慮。
2).O型圈斷面尺寸應(yīng)均勻，并且在每次安裝時都應(yīng)在密封部位充分涂抹潤滑油或潤滑脂。有時也可以采用浸透潤滑油的氈圈式加油裝置。
3).加大O型圈的截面直徑，動密封用O型密封圈的截面直徑一般應(yīng)大于靜密封用O型圈;此外，O型圈應(yīng)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，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(shù)的材料制作O型密封圈。
7).可用不易產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象的密封圈代替O型圈。
4、磨粒磨損現(xiàn)象
?泵芊獾募湎毒哂邢嘍栽碩?，工作环境中的豁摳偼懗粒等被粘附哉熱擕杆钡a媯⑺孀嘔釗說耐叢碩胗湍ひ黃鴇淮敫啄冢晌秩隣型密封圈表面的磨粒，加速O型圈的磨損，以致其失去密封性。為了避免這種情況發(fā)生，在往復(fù)運動式密封裝置的外伸軸端處必須使用防塵圈。
5、滑動表面對O型圈的影響
滑動表面的粗糙度是影響O型圈表面摩擦與磨損的直接因素。一般地說，表面光潔摩擦與磨損就小，所以滑動表面的粗糙度數(shù)值往往很低(Ra0.2~0.050μm)。但是，試驗表明，表面粗糙過低(Ra低于0.050μm)又會給摩擦與磨損帶來不利的影響。這是因為微小的表面凹凸不平，可以保持必要的潤滑油膜。因此要選擇適當(dāng)?shù)谋砻嬉蟆?/span>
滑動表面的材質(zhì)對O型圈的壽命也有影響?；瑒颖砻娌馁|(zhì)的硬度越大、耐磨性越高、保持光潔的能力就越強，O型圈的壽命也就越長。這也是液壓缸活塞桿表面鍍鉻的重要原因。同理可以解釋具有同樣粗糙度的用銅、鋁合金制成的滑動表面比鋼制滑動表面對密封圈的摩擦與磨損更為嚴重，低硬度、大壓縮量的密封圈不如高硬度、小壓縮量的密封圈耐用的情況。
6、摩擦力與O型圈的應(yīng)用
在動密封裝置中，摩擦與磨損是O型圈損壞的重要影響因素。磨損程度主要取決于摩擦力的大小。當(dāng)液體壓力微小時，O型圈摩擦力的大小取決于它的預(yù)壓縮量。當(dāng)工作液體承受壓力時，摩擦力隨之工作壓力的增加而增大。在工作壓力小于20MPa的情況下，近似地呈線形關(guān)系。壓力大于20MPa時，隨著壓力的增加，O型圈與金屬表面接觸面積的增加也逐漸緩慢，摩擦力的增加也相應(yīng)緩慢。在正常情況下，O型圈的使用壽命隨著液體壓力的升高將會近似的呈平方關(guān)系而減小。
摩擦力的增加，使得旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動的軸與O型密封圈之間產(chǎn)生大量的摩擦熱。由于多數(shù)O型圈都是用橡膠制成的，導(dǎo)熱性極差。因此，摩擦熱就會引起橡膠的老化，導(dǎo)致O型圈實效，破壞其密封性能。摩擦還會引起O型圈表面損傷，使壓縮量減小。嚴重的摩擦?xí)芸煲餙型圈的表面損壞，失去密封性。作氣動往復(fù)運動用密封時，摩擦熱還會引起粘著，造成摩擦力進一步增加。
運動用密封在低速運動時，摩擦阻力還是引起爬行的一個因素，影響元件和系統(tǒng)的工作性能。所以對運動密封來說，摩擦性是重要性能之一。摩擦系數(shù)是摩擦特性的一個評價指標(biāo)，合成橡膠摩擦系數(shù)較大，由于密封在運動狀態(tài)時，通常處于工作油液或潤滑劑參與的混合潤滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)一般在0.1以下。摩擦力的大小在很大程度上取決于被密封件的表面硬度與表面粗糙度。
7、焦耳熱效應(yīng)
橡膠材料的焦耳熱效應(yīng)，是指處于拉伸狀態(tài)的橡膠遇熱產(chǎn)生收縮的現(xiàn)象。在安裝O型圈時，為了使它在密封溝槽內(nèi)不產(chǎn)生竄動，在用作往復(fù)運動密封時，不產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，一般使它處于某種程度的拉伸狀態(tài)。但如果將這種安裝方法用于旋轉(zhuǎn)運動，就會產(chǎn)生不良的結(jié)果。本來已經(jīng)緊箍在旋轉(zhuǎn)軸上的O形密封圈，因旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的摩擦熱而收縮，進而使這種緊箍力增大，這樣，產(chǎn)生摩擦熱→收縮→緊箍力增大→產(chǎn)生摩擦熱→……，如此反復(fù)循環(huán)，就大大地促進了橡膠的老化和磨損。
