o型圈密封原理及焦耳效应

O形密封圈简称O形圈，是一种截面为圆形的橡胶圈。O形密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。O形圈有良好的密封性，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。它的适用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种运动条件的要求，工作压力可从1.333×105Pa的真空到400MPa高

压；温度范围可从-60?到200?。

与其它密封型式相比，O形密封圈具有以下特点：

1）结构尺寸小，装拆方便。

2）静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏。

3）使用单件O形密封圈，有双向密封作用。

4）动摩擦阻力较小。

5）价格低廉。

O形密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。在用于静密封和动密封时，密封接触面接触压力产生原因和计算方法不尽相同，需分别说明。

1、用于静密封时的密封原理

在静密封中以O形圈应用最为广泛。如果设计、使用正确，O形密封圈在静密封中可以实现无泄漏的绝对密封。

O形密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。对接触面产生一定的初始接触压力Po。即使没有介质压力或者压力很小，O形密封圈靠自身的弹性力作用而也能实现密封；当容腔内充入有压力的介质后，在介质压力的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭间隙δ。此时，坐用于密封副偶合面的接触压力上升为Pm：

Pm=Po+Pp

式中Pp——经O形圈传给接触面的接触压力（0.1MPa）

Pp=K·P

K——压力传递系数，对于橡胶制O形密封圈K=1；

P——被密封液体的压力（0.1MPa）。

从而大大增加了密封效果。由于一般K≥1，所以Pm＞P。由此可见，只要O形密封圈存在初始压力，就能实现无泄漏的绝对密封。这种靠介质本身压力来改变O形密封圈接触状态，使之实现密封的性质，称为自封作用。

理论上，压缩变形即使为零，在油压力下也能密封，但实际上O形密封圈安装时可能会有偏心。所以，O形圈装入密封沟槽后，其断面一般受到7%—30%的压缩变形。静密封取较大的压缩率值，动密封取较小的压缩率值。这是因为合成橡胶在低温下要压缩，所以静密封O 形圈的预压缩量应考虑补偿它的低温收缩量。

2、用于往复运动密封时的密封原理

在液压转动、气动元件与系统中，往复动密封是一种最常见的密封要求。动力缸活塞与缸体、活塞干预缸盖以及各类滑阀上都用到往复运动密封。缝隙由圆柱杆与圆柱孔形成，杆在圆

柱孔内轴向运动。密封作用限制流体的轴向泄漏。用作往复运动密封时，O形圈的预密封效果和自密封作用与静密封一样，并且由于O形圈自身的弹力，而具有磨损后自动补偿的能力。但由于液体介质密封时，由于杆运动速度、液体的压力、粘度的作用，情况比静密封复杂。当液体在压力作用下，液体分子与金属表面互相作用，油液中所含的“极性分子”在金属表面上紧密而整齐的排列，沿滑移面与密封件间形成一个强固的边界层油膜，并且对滑移面产生极大的附着力。该液体薄膜始终存在于密封件与往复运动面之间，它亦起一定的密封作用，并且对运动密封面的润滑是非常重要的。但是对泄漏来讲是有害的。但往复运动的轴向外拖出时，轴上的液体薄膜便与轴一起拉出，由于密封件的“擦拭”作用，当往复运动的轴缩回时，该液体薄膜便被密封元件阻留在外面。随着往复运动行程次数增多，阻留在外面的液体就越多，最后形成油滴，这就是往复运动式密封装置的泄漏。由于液压油的粘度随着温度的升高而降低，油膜厚度相应减小，所以液压设备在低温下启动时，运动开始时的泄漏较大，随着运动过程中因各种损失引起温度升高，泄漏量有逐渐降低的趋势。

O形圈作为往复式密封，结构紧凑、尺寸小，可以降低元件价格。主要用在：

1）低压液压元件中，一般限于短行程和10MPa左右的中等压力。

2）小直径、短行程以及中等压力的液压滑阀中。

3）气动滑阀和气动缸中。

4）作为组合式往复动密封装置中的弹性体。

O形圈作为往复动密封最适合小直径、短行程、中低压力的应用场合，气动缸、气动滑阀等往复运动元件中。在液压元件中，用O形圈作主要动密封，一般限于短行程和10MPa左右的中低压力。O形圈不适合用作速度非常低的往复动密封和单独作为高压往复动密封。这主要是因为在这种条件下摩擦较大，会导致密封过早失效。在任何型式应用中，都要根据密封件的额定数据或能力来使用，并且要装配得当，才能得到满意的性能。

3、旋转运动用密封

在旋转运动密封中，通常采用油封和机械密封。但是油封的使用压力较低，而且与O形圈相比，显得过大和复杂，工艺性也差。机械密封虽然可用于高压（40MPa）、高速（50m/s）

及高温（400?），但是结构更加复杂、庞大，而且成本高，只适用于石油、化工等作用的一

些重型机械设备上。

O形圈用于旋转运动存在的主要问题是焦耳热效应。焦耳热效应使高速的旋转轴与O形圈的接触处产生磨擦热，生成的热量使这些接触部位的温度不断上升，橡胶材料受热严重变形，压缩量与伸长量发生变化的现象。发热还加速密封材料老化，降低了 O形圈的使用寿命；破坏密封油膜，由此引起断油现象，加速密封的磨损。

基于上述情况，近年来国内外旋转运动用O形圈进行了广泛深入的研究。为了避免出现焦耳热效应，关键在于根据橡胶的性能来正确地选择设计O形圈的结构参数，主要是O形圈的拉伸量和压缩率。根据实验，将旋转运动用O形圈设计成内径与旋转轴直径相等或稍大些，一般大3%~5%，在安装O形圈时，从内径向里压缩，并将断面的压缩量也设计得小一些，一般约为5%。并且，尽量采用受热量影响小的密封材料，充分考虑O形圈安装处的散热问题。这样就使O形圈的工作情况大为改善，可应用于最高转速达4m/s的旋转轴的密封。

近年来又出现了耐热氟橡胶和耐磨聚氨酯橡胶，并且对橡胶元件工作的焦耳热效应有了更深

入的了解，并针对此问题研究解决方案，设计出了新的O形圈密封结构，使O形圈能够更好的应用与高速、高压的旋转运动。

O形密封圈由于其具有体积小，结构简单、成本低、工艺性能好、适用范围广泛等特点，正广泛地在旋转运动式密封装置中推广。