O型密封圈结构设计及相关问题探讨
文章以“GB/T3452.3-2005液压气动用O型橡胶密封圈沟槽尺寸”为标准，举一实例详细说明O型圈的结构设计步骤，并对相关概念进行了探讨。
引言
有关O型圈密封原理、结构设计、使用、技巧方面的文章很多，但都是从某一方面进行阐述，对新手来说，常常不知道从何入手，文章以GB/T3452.3-2005为标准，以油缸内径80mm的液压活塞动密封为例，详细介绍了设计过程。
1、设计步骤
(1)明确是用于液压还是气动?活塞密封还是活塞杆密封?动密封还是静密封?
(2)液压活塞动密封：以油缸内径d4=80为参数；
(3)根据“径向静密封和动密封的适用范围”确定O型圈截面尺寸d2=5.3；
(4)根据“液压活塞动密封沟槽尺寸”确定O型圈内径d1=69；
(5)根据“径向密封的沟槽尺寸”确定沟槽深度t=4.35，初算压缩率x*=18%；
(6)根据t=4.35，计算槽底直径d3=71.3，与“液压活塞动密封沟槽尺寸”中d3值一致；
(7)估算预拉伸y*=(71.3-69)/69=3.3%；
(8)根据附录A之“活塞密封O型圈预拉升率”，预拉伸率应≤5%，y*合适；
(9)因实际工作压力7MPa≤10MPa，故不需挡圈；
(10)查“径向密封的沟槽尺寸”，确定沟槽宽b=7.1；
(11)查“沟槽尺寸公差”，油缸内径d4=80，则公差H800.046；
(12)查“沟槽尺寸公差”，槽底直径d3=71.3，公差h90-0.074
(13)查“沟槽尺寸公差”，活塞直径d9=80，公差f7-0.03-0.05；
(14)计算最大径向间隙gmax=d4max-d9min=0.106(参见“径向密封的活塞密封沟槽型式”)；
(15)根据间隙g及工作压力，确定密封圈硬度为HS70；
(16)核算最大预拉伸率ymax=(d3max-d1min)/d1min=[71.3-(69-0.45)]/(69-0.45)=4%；
(17)根据公式A.9计算O型圈截面直径减小量amax=0.25；
(18)核算压缩率x=[(5.3-0.25)-4.35)]/(5.3-0.25)=14%。
2、几个重要概念及探讨
1)预拉伸率y
O型圈用于活塞密封时，活塞沟槽槽底直径d3应大于或等于密封圈内径d1，二者之间类似“过盈配合”，以保证密封圈内径稳固的贴合在槽内。预拉伸率定义为：
y=(d3-d1)/d1(1)
最小预拉伸率等于0，最大预拉伸率不得大于表A.1的规定值。
2)预压缩率k
O型密封圈用于活塞杆密封时，密封圈外径(d1+2d2)应大于或等于内沟槽槽底直径d6，二者之间类似“过盈配合”，以保证密封圈外径稳固地贴合在槽内。最小预压缩率等于0，最大预压缩率不得大于表A.2的规定值。
3)压缩率x
当O型密封圈处于工作状态时，其内径、外径同时受到挤压变形产生回弹力，在与刚体接触面间产生较大的接触应力，若接触应力值大于流体压力，则能起到密封作用。压缩率定义为：
x=(d2-t)/d2(2)
需要注意的是，在有预拉伸的情况下，密封圈截面变成椭圆，椭圆短轴h比自由状态下的直径d2小，二者关系为：
式中y———拉伸率，由公式(1)算出；d2———O型圈自由状态下的截面直径。
将(3)式h值取代(2)式d2，即可算出在预拉伸状态下的实际压缩率。压缩率范围参照GB/T3452.3-2005附录A之表A.3、A.4。
对于此表，有两点需要探讨：第一，根据GB/T3452.3-2005，沟槽深度t是按照压缩率算出来的(即先有压缩率，后有沟槽深度)，且最大压缩率对应最小深度，最小压缩率对应最大深度，故表1改成如表2所示的形式似乎更合适。
表1 活塞密封、活塞杆密封沟槽深度的极限值及对应的压缩率(节选)
表2 O型圈压缩率及对应的活塞密封、活塞杆密封沟槽深度(部分)
其次，表1、表2的数据是以硬度为70IRHD(国际橡胶硬度)的密封圈为基础制定的，对于其他硬度的密封圈，标准没有说明。国内某一知名密封圈制造商资料见表3。
4)单边径向间隙g
单边径向间隙与工作压力及密封圈硬度有关联，设计时也应该考虑此因素。密封圈规格确定后，根据工作压力和单边最大径向间隙，参照表4确定其硬度。
gmax=(d4max-d9min)/2
表3 O型圈压缩率与硬度的关系
表4 O型圈硬度、压力和单边径向间隙最大值关系
3、结束语
文章举一个实际例子，以GB/T3425.1为标准，详细介绍了O型圈设计步骤，对初学者有一定指导作用。由于O型圈的标准及非标规格系列较多，实际应用状态千差万别，各人的经验不同，因此设计方式存在着差异。
