防止O形密封圈出現(xiàn)安裝損傷的措施與方法

來(lái)源：《機(jī)械工程師》 2021年第5期

王會(huì)　王迪　張紅

（西安航空制動(dòng)科技有限公司）

摘　要：O形密封圈的安裝質(zhì)量影響液壓、氣動(dòng)產(chǎn)品的密封性，通過(guò)分析O形密封圈的損傷機(jī)理，從密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配細(xì)節(jié)兩個(gè)方面，對(duì)避免O形密封圈出現(xiàn)安裝損傷的措施與方法進(jìn)行了歸納說(shuō)明。

1　前言

O形密封圈因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前仍是液壓、氣動(dòng)產(chǎn)品使用Z為廣泛的密封零件，它的安裝質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的密封性。飛機(jī)剎車系統(tǒng)中，附件產(chǎn)品是壓力的調(diào)節(jié)與輸入端，剎車裝置是剎車的Z終執(zhí)行端，它們的密封性會(huì)危及到飛機(jī)的正常使用及安全，因此，防止O形密封圈安裝損傷是確保裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)。

2　損傷機(jī)理

根據(jù)密封圈槽在軸上還是筒上，通常將密封結(jié)構(gòu)分為Ⅰ型和Ⅱ型（如圖1），兩者裝配順序一致：先將密封圈裝入軸或筒上的密封槽，再對(duì)軸與筒進(jìn)行組合。

對(duì)于Ⅰ型密封，O形密封圈通過(guò)拉扯翻越臺(tái)肩的過(guò)程中，本身就存在機(jī)械劃傷、翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)不均的可能，緊箍于密封槽D1上之后，除非人為理順干預(yù)，又會(huì)因密封圈拉伸率對(duì)彈性恢復(fù)的阻滯而將扭轉(zhuǎn)變形保留下來(lái)。裝有密封圈的軸推入筒中時(shí)，雖然密封圈外徑因拉伸率變小，但仍然大于筒的內(nèi)徑DD，這意味著密封圈必將受到擠壓，如果引導(dǎo)不足或壓縮率過(guò)大，密封圈自然會(huì)被擠出或產(chǎn)生起皮現(xiàn)象，當(dāng)然前行的過(guò)程中，摩擦力還有帶動(dòng)密封圈向后翻轉(zhuǎn)的趨向，假如筒壁存在孔或槽，密封圈滑過(guò)這些部位時(shí)還存在因其彈性導(dǎo)致外壁材料鼓入而被咬傷的風(fēng)險(xiǎn)（如圖2），此外，密封圈部分材料也會(huì)被摩擦力拉向后端軸、筒配合間隙，是否會(huì)被夾傷則取決于凸出量。由于旋合有周向和軸向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，所以當(dāng)軸與筒間采用螺紋連接時(shí)，密封圈除會(huì)產(chǎn)生軸推入筒中時(shí)的變化外，其截面高度在周向摩擦力的作用下趨于拉伸變小，嚴(yán)重時(shí)密封圈局部可能因?yàn)椴牧系亩逊e、腫脹而鼓出密封槽被夾傷或剪斷，即使全部進(jìn)入配合不損傷，密封圈的壓量不均也會(huì)加重其下行時(shí)扭轉(zhuǎn)的概率。

對(duì)于Ⅱ型密封，O形密封圈只能是捏扁塞入筒中，然后靠密封圈彈性蹦入密封槽D2中，因密封圈外徑略大于D2，在受壓狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)變形同樣不一定能靠自身張力恢復(fù)，除非人為理順干預(yù)。軸插入裝有密封圈的筒中時(shí)，因?yàn)檩S徑Dd大于密封圈內(nèi)徑，首先會(huì)對(duì)密封圈擴(kuò)脹擠壓，如果引導(dǎo)不足，也很容易出現(xiàn)擠傷、切邊現(xiàn)象，前行的過(guò)程中，自然也存在摩擦力帶動(dòng)密封圈向后翻轉(zhuǎn)的趨向，如果軸上有孔或槽，密封圈的內(nèi)壁材料也會(huì)有與Ⅰ型密封類似的咬傷隱患，當(dāng)然，摩擦力也會(huì)牽引密封圈向軸、筒配合間隙擠入。至于螺紋連接，旋合時(shí)必然有周向摩擦力帶動(dòng)密封圈附加拉伸出現(xiàn)壓量變化的因素，需要考慮Ⅱ型密封的密封圈鼓出配合或翻轉(zhuǎn)。

歸結(jié)起來(lái)，Ⅱ型密封與Ⅰ型密封的O形密封圈其受力、變形的效應(yīng)原理是相似的，只不過(guò)其著力點(diǎn)和牽引點(diǎn)有所區(qū)別：Ⅰ型密封在密封圈的外壁，Ⅱ型密封在密封圈的內(nèi)壁，其安裝損傷基本為扭轉(zhuǎn)變形、劃傷或擠傷兩種。

3　措施與方法

從O形密封圈的損傷機(jī)理分析可以看出，摩擦力是引起扭轉(zhuǎn)變形及扭轉(zhuǎn)變形保持的核心因素，但劃傷或擠傷除涉及摩擦力外，主要原因還在于缺乏引導(dǎo)、壓縮率設(shè)置過(guò)大、間隙、槽孔布局等零件的結(jié)構(gòu)性等因素，因此，解決密封圈的安裝損傷需從設(shè)計(jì)和裝配方法上著手。

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）O形密封圈

①膠料選擇。密封圈應(yīng)采用低摩擦因數(shù)膠料，以降低與接觸零件間的摩擦力。

②截面直徑。為了防止翻轉(zhuǎn)，密封圈的截面直徑不宜過(guò)?。ㄍǔ＝孛嬷睆讲粦?yīng)小于1.5mm，且與內(nèi)徑之比應(yīng)大于0.025），另外尺寸變化會(huì)直接反映到摩擦力上，所以截面直徑應(yīng)盡可能均勻（Z小可以要求到±0.08mm）。

③壓縮率。密封結(jié)構(gòu)的密封性是基于密封圈與密封面間的接觸壓力實(shí)現(xiàn)的。從密封的角度來(lái)說(shuō)，密封圈壓縮率越大，工作壓力越大，但過(guò)大的壓縮率不但會(huì)增加摩擦力，而且有時(shí)也會(huì)讓裝配變得困難，密封圈的拉伸率一般在1.1以下，壓縮率控制在12%～35%之間比較適宜。相對(duì)而言，粗密封圈比細(xì)密封圈的壓縮率要小些。當(dāng)然，由于不同牌號(hào)膠料的硬度、熱脹和耐寒系數(shù)不同，動(dòng)、靜密封的工況不同，具體選擇上應(yīng)有所區(qū)別。

④分模面。因?yàn)榛顒?dòng)密封圈的壓縮率小于固定密封圈（原因主要是動(dòng)密封不僅要考慮密封問(wèn)題，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的順暢和密封?的磨損問(wèn)題），密封能力比固定密封圈弱，而人工清理的分模面有不規(guī)則現(xiàn)象，其分模面與密封面貼合影響更大，所以活動(dòng)密封圈采用45°分模面，而固定密封圈卻常選熱模制造比較簡(jiǎn)單的180°分模面。雖然如此，若確認(rèn)固定密封圈的分模面必須避開(kāi)密封面，固定密封圈其實(shí)也可選擇45°分模面。

（2）配合零件

①粗糙度。配合零件的表面粗糙度直接影響O形密封圈的表面摩擦與磨損，一般來(lái)說(shuō)，表面越光潔，摩擦與磨損越小，但表面過(guò)于光潔又不容易在零件表面維持油膜保證潤(rùn)滑。實(shí)踐證明，對(duì)于O形密封圈密封結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)表面粗糙度不建議低于Ra0.1μm，合理值應(yīng)在Ra0.2～1.6μm之間。

②幾何精度。被密封零件自身存在幾何精度（包括圓度、圓柱度、同軸度等）及高壓下的脹大現(xiàn)象，這些都會(huì)引起O形密封圈壓量的不均和變化，所以在保證被密封零件剛度情況下，同一零件的圓度、圓柱度可以靠公差等級(jí)進(jìn)行控制，相關(guān)面的同軸度應(yīng)限制在0.05mm以內(nèi)。

③配合間隙。配合間隙過(guò)小，會(huì)增加裝配難度，對(duì)于滑動(dòng)副還會(huì)加重運(yùn)動(dòng)阻力；配合間隙過(guò)大，會(huì)增加裝配中或工作介質(zhì)壓力使膠料擠入的可能，同時(shí)滑動(dòng)副的導(dǎo)向精度也會(huì)降低。理想的配合間隙在0.02～0.25mm之間，具體值取決于工作壓力及膠料硬度，總體而言，工作壓力越大則間隙越小，膠料偏硬比偏軟的間隙可以大些。其實(shí)，在O形密封圈工作壓力作用相反的一面設(shè)置氟塑料保護(hù)圈是一種解決間隙咬傷的簡(jiǎn)單有效手段，針對(duì)活動(dòng)密封的往復(fù)運(yùn)動(dòng)性，每個(gè)密封槽中可以使用2個(gè)保護(hù)圈。

④零件型面轉(zhuǎn)接。應(yīng)盡可能避免O形密封圈通過(guò)直棱面、臺(tái)階孔、不完整圓柱面等結(jié)構(gòu)，不能避免時(shí)，需做倒角、倒圓、帶倒角的環(huán)形凹槽等過(guò)渡處理，與O形密封圈安裝有關(guān)的尖邊必須倒鈍，以便對(duì)密封圈形成引導(dǎo)、防止擠傷和刮蹭。型面轉(zhuǎn)接的常見(jiàn)示例如圖3所示。

3.2裝配方法

（1）零件的檢查與清理

O形密封圈上的劃傷、缺肉、開(kāi)裂等缺陷，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致泄漏，看似輕微的也可能在裝配過(guò)程中進(jìn)一步加重，所以必須剔除。至于人工清理較難避免的分模面殘留毛邊或毛刺，主要以是否進(jìn)入密封面及裝配中是否會(huì)引起密封圈翻轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行判斷，有影響的應(yīng)排除，無(wú)影響者可以留用。

與密封圈直接相關(guān)的保護(hù)圈、軸、筒等零件，其毛刺、機(jī)械損傷對(duì)密封圈的傷害Z大，軸和筒型面上的銹蝕、鍍層剝落等會(huì)影響到密封圈安裝時(shí)的摩擦力，檢查時(shí)需予以關(guān)注。

零件生產(chǎn)、檢驗(yàn)及庫(kù)存環(huán)節(jié)難免會(huì)被污染，密封圈及保護(hù)圈、軸、筒等零件上的顆粒物、絲狀物等表面附著物進(jìn)入密封面后會(huì)墊起密封圈或引起密封圈的壓量變化，所以裝配零件使用前必須先進(jìn)行清洗，通常金屬件使用航空洗滌汽油，橡塑件使用無(wú)水乙醇。

（2）潤(rùn)滑

潤(rùn)滑是降低已制成零件摩擦力的Z直接手段，所以裝配時(shí)，密封圈及與密封圈相關(guān)的軸、筒等零件均應(yīng)涂抹潤(rùn)滑劑，因?yàn)闈?rùn)滑脂比液壓油潤(rùn)滑效果好，故除有特殊要求，盡可能使用7014寬溫航空潤(rùn)滑脂。膠料與油脂接觸后的溶脹效應(yīng)會(huì)增大密封圈的壓量，所以，對(duì)于非明確要求浸油的密封圈，潤(rùn)滑后應(yīng)盡快裝配（停滯時(shí)間不宜超過(guò)4h）。

（3）校正

O形密封圈及與之相配的保護(hù)圈一次性裝配很難保證規(guī)整、不扭曲，因此校正環(huán)節(jié)必不可少。軸上的密封槽屬于開(kāi)放空間，一般先套入保護(hù)圈并用收壓板或收壓套進(jìn)行縮形、收?qǐng)A，然后再套入密封圈并用扁狀挑針挑起理順；而筒內(nèi)的密封槽存在遮蔽，保護(hù)圈塞入后尺寸不會(huì)變大，密封圈存在扭轉(zhuǎn)的概率及扭轉(zhuǎn)量比軸上的要小，所以密封圈的校正工作可以結(jié)合保護(hù)圈的校圓進(jìn)行，即在保護(hù)圈、密封圈安裝后，在確認(rèn)沒(méi)有明顯扭曲的情況下，借助于帶有錐面引導(dǎo)的校正棒（為避免密封圈過(guò)度翻轉(zhuǎn)，使用前表面需潤(rùn)滑）插入筒中反復(fù)推拉以使密封圈逐步恢復(fù)，是否已至正常狀態(tài)可以根據(jù)往返時(shí)阻力的均勻性來(lái)進(jìn)行判斷。

（4）裝有密封圈零件的壓裝與擰入

即使完成初步裝配的密封圈表面完好且已校正，在進(jìn)一步的裝配中仍可能出現(xiàn)損傷，因此裝有密封圈零件壓裝時(shí)應(yīng)緩慢，密切關(guān)注密封圈的變形及鼓出現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)重新找正再壓，如果仍無(wú)法解決，應(yīng)考慮增加引導(dǎo)；而裝有密封圈零件擰入時(shí)應(yīng)勻速，除需觀察密封圈是否鼓出外，亦應(yīng)感受驅(qū)動(dòng)力的變化，一旦發(fā)現(xiàn)阻滯力明顯放大，應(yīng)回退1/3圈左右再試著擰入，以保證密封圈不會(huì)出現(xiàn)扭曲或“細(xì)脖子”現(xiàn)象。

對(duì)于組裝后的滑動(dòng)副，以活塞組件為例，再推動(dòng)活塞組合體相對(duì)襯套往復(fù)3～5次檢查一下靈活性不失為明智之舉。

（5）輔助工裝

用于密封圈理順的挑針、套于螺紋上防止螺紋劃傷密封圈的導(dǎo)套和保護(hù)圈校正的校正棒、收壓板、收壓套等都屬密封件安裝的常用工裝，除此之外，一些設(shè)計(jì)上因結(jié)構(gòu)受限而無(wú)法處理的槽或孔必須借助工裝來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，否則密封圈的損傷無(wú)法消解。圖4所示為圖5某活塞組件結(jié)構(gòu)的輔助工裝實(shí)例，從中可以看出，如果不使用導(dǎo)引環(huán)對(duì)襯套右端為了傳力板角向定位而銑掉的部分進(jìn)行補(bǔ)形，在活塞壓入襯套時(shí)，必然會(huì)成為活塞上的密封圈在該位置鼓出的誘因，所以該活塞組件的傳力板、拉桿應(yīng)選在活塞壓入襯套之后安裝。同理，對(duì)閥套上不能開(kāi)環(huán)形凹槽過(guò)渡處理的交叉孔，也可以使用工藝柱銷進(jìn)行補(bǔ)形。

4　結(jié)論與建議

O形密封圈的安裝損傷涉及面較廣，首先在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上就應(yīng)予以考慮，密封圈安裝時(shí)的接觸部位需做倒鈍處理并有意設(shè)置引導(dǎo)面；其次零件加工上應(yīng)確保毛刺、尖邊清除干凈；Z后，產(chǎn)品裝配上主要應(yīng)注意零件清洗與?查、零件的潤(rùn)滑、密封圈和保護(hù)圈的校正及裝有密封圈零件的壓裝與擰入的細(xì)節(jié)，輔助工裝上除常規(guī)的挑針、導(dǎo)套及保護(hù)圈的收壓夾具、校正棒等外，對(duì)于產(chǎn)品上受限而遺留的影響密封圈安裝質(zhì)量的槽或孔，一定要想辦法用工裝來(lái)彌補(bǔ)形成完整面，只有這樣，才能解決密封圈的安裝損傷問(wèn)題。