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高压高温下O型圈破坏的三大原因

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,O形圈在运动时出现扭曲现象。
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,O形圈在运动时出现扭曲现象
永久变形
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
2)温度与O形圈驰张过程的关系
3)介质工作压力与永久变形
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,般发生在动密封状态。 O形圈如果装配的妥善,并且使用条件适当,一般不大容易在往复运动状态下产生滚动或扭曲,因为O形圈与沟槽的接触面积大于在滑动表面上的摩擦接触面积,而且O形圈本身的抗拒能力原来就能阻止扭曲。摩擦力的分布也趋向保持O形圈在其沟槽中静止不动,因为静摩擦大于滑动摩擦,而且沟槽表面的粗糙度一般不如滑动表面的粗糙度。
扭曲损伤
引起扭曲损伤的原因很多,其中最主要的是由于活塞、活塞杆和缸筒的间隙不均匀、偏心过大、O形圈断面直径不均匀等造成,由于造成O形圈在一周多受的摩擦力不均匀,O形圈的某些部分摩擦过大,发生扭曲。通常,断面尺寸较小的O形圈,容易产生摩擦不均匀。造成扭曲(运动用O形圈比固定用O形圈的断面直径大就是这个道理。) 另外,由于密封沟槽存在着同轴度偏差,密封高度不相等以及O形圈截面直径不均匀等现象,可能使得O形圈的一部分压缩过大,另一部分过小或不受压缩。当沟槽存在偏心即同轴偏差大于O形圈的压缩量时,密封会完全失效。密封沟槽同轴度偏差大的另一个害处是使O形密封圈沿圆周压缩不均。此外还有由于O形圈截面直径、材质硬度、润滑油膜厚度等的不均以及密封轴表面粗糙度等因素的影响,导致O形圈的一部分沿工件表面滑动,另一部分则发生滚动,从而造成O形圈的扭曲。运动使圈很容易因扭曲而损坏,这是密封装置发生损坏和泄漏的重要原因。因此提高密封沟槽的加工精密度以及减小偏心是保证O形圈具有可靠的密封性和寿命的重要因素。 安装密封圈不应是它处于扭曲状态。假如在安装时就被扭曲,则扭曲损伤就会很快发生。在工作中,扭曲现象会将O形圈切断,产生大量漏油,而且切断的O形圈会混到液压系统的其他部位,造成重大事故。
为了防止O形圈的扭曲损伤,在设计时应注意以下几点
1)O形圈安装沟槽的同心度大小,应从加工方便和不产生扭曲现象两个方面来考虑。
2)O形圈断面尺寸应均匀,并且在每次安装时都应在密封部位充分涂抹润滑油或润滑脂。有时也可以采用浸透润滑油的毡圈式加油装置。
3)加大O形圈的截面直径,动密封用O形密封圈的截面直径一般应大于静密封用O形圈;此外,O形圈应避免用作大直径活塞的密封。
4)在低压下也产生扭曲损伤时,可使用密封圈保护挡圈。
5)降低缸筒和活塞杆的表面粗糙度。
6)采用低摩擦系数的材料制作O形密封圈。
7)可用不易产生扭曲现象的密封圈代替O形圈。
磨粒磨损现象
当密封的间隙具有相对运动时,工作环境中的灰尘和沙粒等被粘附在活塞杆表面,并随着活塞杆的往复运动与油膜一起被带入缸内,成为侵入O形密封圈表面的磨粒,加速O形圈的磨损,以致其失去密封性。为了避免这种情况发生,在往复运动式密封装置的外伸轴端处必须使用防尘圈。
滑动表面对O形圈的影响
滑动表面的粗糙度是影响O形圈表面摩擦与磨损的直接因素。一般地说,表面光洁摩擦与磨损就小,所以滑动表面的粗糙度数值往往很低(Ra0.2-.050μm)。但是,试验表明,表面粗糙过低(Ra低于0.050μm)又会给摩擦与磨损带来不利的影响。这是因为微小的表面凹凸不平,可以保持必要的润滑油膜。因此要选择适当的表面要求。 滑动表面的材质对O形圈的寿命也有影响。滑动表面材质的硬度越大、耐磨性越高、保持光洁的能力就越强,O形圈的寿命也就越长。这也是液压缸活塞杆表面镀铬的重要原因。同理可以解释具有同样粗糙度的用铜、铝合金制成的滑动表面比钢制滑动表面对密封圈的摩擦与磨损更为严重,低硬度、大压缩量的密封圈不如高硬度、小压缩量的密封圈耐用的情况。
摩擦力与O形圈的应用
在动密封装置中,摩擦与磨损是O形圈损坏的重要影响因素。磨损程度主要取决于摩擦力的大小。当液体压力微小时,O形圈摩擦力的大小取决于它的预压缩量。当工作液体承受压力时,摩擦力随之工作压力的增加而增大。在工作压力小于20MPa的情况下,近似地呈线形关系。压力大于20MPa时,随着压力的增加,O形圈与金属表面接触面积的增加也逐渐缓慢,摩擦力的增加也相应缓慢。在正常情况下,O形圈的使用寿命随着液体压力的升高将会近似的呈平方关系而减小。摩擦力的增加,使得旋转或往复运动的轴与O形密封圈之间产生大量的摩擦热。由于多数O形圈都是用橡胶制成的,导热性极差。因此,摩擦热就会引起橡胶的老化,导致O形圈实效,破坏其密封性能。摩擦还会引起O形圈表面损伤,使压缩量减小。严重的摩擦会很快引起O形圈的表面损坏,失去密封性。作气动往复运动用密封时,摩擦热还会引起粘着,造成摩擦力进一步增加。运动用密封在低速运动时,摩擦阻力还是引起爬行的一个因素,影响元件和系统的工作性能。所以对运动密封来说,摩擦性是重要性能之一。摩擦系数是摩擦特性的一个评价指标,合成橡胶摩擦系数较大,由于密封在运动状态时,通常处于工作油液或润滑剂参与的混合润滑状态,摩擦系数一般在0.1以下。 摩擦力的大小在很大程度上取决于被密封件的表面硬度与表面粗糙度。 7、焦耳热效应 橡胶材料的焦耳热效应,是指处于拉伸状态的橡胶遇热产生收缩的现象。在安装O形圈时,为了使它在密封沟槽内不产生窜动,在用作往复运动密封时,不产生扭曲现象,一般使它处于某种程度的拉伸状态。但如果将这种安装方法用于旋转运动,就会产生不良的结果。本来已经紧箍在旋转轴上的O 形密封圈,因旋转运动产生的摩擦热而收缩,进而使这种紧箍力增大,这样,产生摩擦热→收缩→紧箍力增大→产生摩擦热→……,如此反复循环,就大大地促进了橡胶的老化和磨损
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