機械制造中O形密封圈的密封原理及其失效類型分析

劉貴彬 解小琴

摘 要：機械密封是在補償機構(gòu)的磁力（或彈力）和流體壓力的作用下，根據(jù)垂直于軸作相對滑動的端面并配合輔助密封從而達到阻止泄漏的機械裝置，又稱作端面密封或軸向端面密封。本文分析了機械密封原理的基礎(chǔ)上，給出了O形密封圈基本理論，重點給出了O形的壓縮率，以及O形密封圈的失效類型分析。

為O形密封圈的設(shè)計分析提供了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：O形密封圈；密封原理；失效類型

一、機械密封原理及其失效類型

因為機械密封通常工作環(huán)境比較惡劣，會遇到各種各樣的問題，所以在仿真分析中可能會遺漏某些因數(shù)素。綜合考慮，可做一些假設(shè)：

（1）密封副結(jié)構(gòu)均為軸對稱結(jié)構(gòu)，而所承受的載荷也具備該特性；

（2）密封副正常工作時，設(shè)摩擦系數(shù)固定值，材料磨損也可忽略；

（3）密封副所使用材料的物理特性與溫度和力沒有太大的關(guān)系；

（4）材料之間的熱傳導可被忽略；

（5）假設(shè)傳熱均是由密封表面之間的摩擦產(chǎn)生的，并且在密封端面上的熱流密度的分布是均衡的。

機械密封主要包含靜環(huán)、動環(huán)、密封元件和緊固元件等構(gòu)成。軸的轉(zhuǎn)動帶著動環(huán)一起旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)和動環(huán)的結(jié)合面形成密封接觸，以阻止介質(zhì)的泄漏。動環(huán)根據(jù)封閉空間內(nèi)介質(zhì)的壓力將其與靜環(huán)端面接觸并緊固，兩者接觸面形成一層非常薄的液體膜并存在一定的壓力比，最終達到密封的效果。機械密封是與機械設(shè)備的其它零部件共同配合工作的，機械密封的運行情況和現(xiàn)場狀況、本身的特征有直接的聯(lián)系。

O形密封圈的失效類型：

（1）永久形變 因為O形密封圈通常使用的材料具有粘彈性，其回彈堵塞能力和初始值使用的時間較長，并造成永久變形，逐步消失，最后造成滲漏現(xiàn)象。

（2）間隙咬傷 高壓情況下，被密封的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)內(nèi)徑脹大、幾何精度不高及零部件不同軸等問題，所有這些會產(chǎn)生密封圈被擠出，并導致密封間隙的距離越來越大。O形密封圈的硬度值也會影響間隙的擠出情況，材料的硬度值與介質(zhì)的壓力值呈反比關(guān)系，而與間隙擠出現(xiàn)象呈正比關(guān)系。

（3）扭曲現(xiàn)象 當在周向方向時，O形密封圈發(fā)生扭轉(zhuǎn)而造成的，在動密封情況下出現(xiàn)的比較多。

二、機械密封環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

（一）定義設(shè)計變量

根據(jù)機械密封的參數(shù)特征，設(shè)A1和A2分別表示靜環(huán)和動環(huán)密封端面的軸向伸出長度。根據(jù)第五章對動靜環(huán)的力學分析可知，在軸向方向，動環(huán)端面有不大的變形量，接觸情況一般，選擇對動環(huán)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)的進行優(yōu)化意義較小，所以考慮選擇靜環(huán)的參數(shù)來進行優(yōu)化。由于機械密封的性能受靜環(huán)端面的水平力及內(nèi)外徑作用的影響，葛培琪人等選擇密封端面寬度這一參數(shù)去對密封的特性進行研究，但因為與載荷系數(shù)K也有直接的關(guān)系，在進行優(yōu)化分析

時，某些參數(shù)的性能會改變，因此選擇靜環(huán)端面的伸出長度Al為優(yōu)化參數(shù)最為合適。

（二）定義狀態(tài)變量

按照優(yōu)化的基本原理，密封端面出現(xiàn)的小錐度收斂間隙為機械密封的最佳情況。因為端面開口形狀呈錐度，其大小不能為無限小，因此對錐度值要求很難滿足。

（三）定義目標函數(shù)

對動靜環(huán)的仿真模擬，通常選擇密封端面的徑向和軸向的變形和應力兩種參數(shù)。第五章的密封副分析表明，動環(huán)的軸向變形和位移較大，隨之其軸向間也就較大，這兩種種參數(shù)有相似的變化，機械密封性能穩(wěn)定僅需控制兩個參數(shù)中的一種即可。在軸向方向，動、靜環(huán)端面的變形及應力會有差別，不滿足目標函數(shù)所規(guī)定的要求；間隙值又要求不能為無限小，所以作目標函數(shù)也符合要求；因為接觸壓力的特殊性能，并且接觸的最大接觸壓力也不能為無限小，因此，目標函數(shù)選擇為最大接觸壓力為最理想的參數(shù)。

（四）數(shù)學模型優(yōu)化

（1）參數(shù)化建模；

（2）對模型施加載荷并解方程組；

（3）在后處理器中獲取變量和目標函數(shù)值，并將命令流寫“LGw”；

（4）對目標函數(shù)等相關(guān)參數(shù)進行定義，并對迭代的次數(shù)進行選擇；

（5）優(yōu)化分析并得到結(jié)果。

三、結(jié)論

對機械密封進行準確的分析存在著眾多的困難和難點。而關(guān)于以前的密封特性的運算分析通常是依靠重復不斷地試驗來獲得的，因此這就不能很深層次地對密封特性進行評估，因為該種評估主要依靠研究人員多年的經(jīng)驗積累，這不僅阻止技術(shù)上的提高，而且也不能滿足工程上的要求。

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