厨卫龙头轴基防漏O型圈失效分析与对策研究

张汉军，李中才，刘继，何宇明，李辛沫

（1.乔登卫浴（江门）有限公司，广东江门529000；2.五邑大学机电工程学院，广东江门529020）

厨卫龙头轴基防漏O型圈失效分析与对策研究

张汉军1，李中才1，刘继1，何宇明2，李辛沫2

（1.乔登卫浴（江门）有限公司，广东江门529000；2.五邑大学机电工程学院，广东江门529020）

介绍和分析了当前厨卫龙头轴基防漏O型圈五种常见失效现象及其成因，包括材料不达标、结构不合理、定位方式不科学、胶圈材质老化以及配伍件表面质量欠佳等原因所导致的防漏效能下降，在此基础上从制作、装配和使用等角度总结提出了有针对性的解决策略，可为今后进一步改善轴基O型圈的防漏性能并进而提高水龙头生产质量的稳定性、均匀性和一致性提供了有价值的依据。

O型圈；泄露；密封；失效分析；对策

基于橡胶材质O型圈的密封方式以其所具有的结构简单、工作可靠和经济实惠等优点而在工业界得到广泛的应用[1]。在水暖器材行业当中就普遍使用O型圈作为厨卫龙头等器具的轴基密封构件，在该领域，当下密封件的应用需求基本在中等精度、中小规格范围以内，其密封对象以饮用、沐浴等温度不超过100℃的清水或者类似的介质为主，长期工作环境压强小于或等于0.5 MPa、高强度测试环境下压强一般不超过3.5 MPa.由于O型圈易损易耗，当其失效后会造成龙头滴漏严重而影响使用体验，同时也不利于节水和环保。鉴于此，本文以厨卫龙头轴基防漏O型圈作为研究对象，通过总结它在实际使用环境下的各种失效形式，探讨其产生泄漏的原因和机制，并在此基础上提出面向轴基O型圈的具体防漏对策，为今后设计和制造中高端厨卫龙头提供一个有价值的参照依据。

1轴基O型圈密封原理分析

目前厨卫龙头轴基所用的O型圈，它的本体在自由状态下一般呈现为圆形截面（如图1a所示），经安装就位后会变形为一个类椭圆状，通过弹性体受压变形而在密封接触面上产生一定的接触压力，当该接触压力大于内介质泄漏压力时则可起到密封作用[2]。为了使O型圈能够正常发挥作用，基本采用“抱轴”式的结构设计（如图1b所示），亦即轴基有一道环形密封槽以容纳O型圈，其截面直径（线径）为d，内径为d1，轴基环形密封槽直径为d3，密封孔径为d2.不难发现，轴基O型圈的安装难易程度以及密封效果主要与O型圈本身有关，而且与轴基环形槽直径d3和宽度、以及对应的密封座孔的内径d2等密切相关。

图1 水龙头轴基O型圈结构及安装示意图

图2是轴基O型圈在不同安装结构配伍下其密封状况的示意图。其中，图2（a）所示为轴基环形槽相对于O型圈本体具有较宽裕的槽宽，此时O型圈处在安装过程中，其密封截面受到密封座孔及龙头轴基槽底的上下压缩而发生变形，并在材料弹性的作用下产生反弹力而压紧座孔及轴基孔轴以形成有效密封面，在此状况下O型圈向左右两侧胀起以释放内部应力。显然，安装的摩擦阻力只与O型圈的弹性反力及摩擦系数有关。图2（b）所示为O型圈在较窄轴基环槽宽度下的装配状况，此时O型圈本体同时受到上下左右的封迫压缩，被向内挤压的材料只能向位置狭小的四角胀起释放内部应力，由于向四角胀起变形产生的内应力更大，所以密封四边挤压的安装摩擦阻力，不仅与O型圈的材料弹性反作用力及摩擦系数有关，而且还受到左右两侧的挤压而产生增强的内应力作用，这种过度变形产生的内应力会使O型圈由于膨胀力太大而过硬，结果造成退让性变差和摩擦阻力变大，会造成难以安装的状况，特别地如果遇上比较极端的情况，O型圈也可能由于表面过硬而在安装过程中被孔口尖角剪切破坏、或者因过度挤压使材料内部破坏，从而导致永久性变形并失去弹性。

图2（c）所示为正常轴基结构参数的O型圈在使用环境下其密封行为的表现示意图，很显然密封O型圈受到水压的推力作用而向非受压端移动，并依靠轴基槽的侧壁止推而限位，此时轴基槽的侧壁高度符合规范并足以包纳O型圈本体侧推支撑接触面。如图2（d）所示为轴基侧壁高度不够时O型圈的行为表现示意图，此时由于轴基侧壁有效高度不足而难以包纳O型圈本体的侧推支撑接触面，结果造成O型圈本体局部被挤入密封间隙内而发生咬伤损坏。

图2 水龙头轴基O型圈安装状态分析

2轴基O型圈常见失效原因分析

2.1 材料原因：材质不达标致使失效

不同的O型圈生产厂家其产品质量存在着较大的差异，主要表现在材质不达标以及由此造成的硬度不稳定、弹性不足易出现永久性变形等[3]，未到正常寿命即出现挤边破损、硬化变形、过度磨损等而致使密封失效。

2.2 零件结构不合理致使失效

如图3（a）所示，由于装配管轴的座孔边缘未设计有倒角而形成锐角尖峰，由此在装配导入管轴时极易对O型圈产生剪切作用而造成胶圈表面损伤，直至影响O型圈的使用寿命。

2.3 紧定侧隙原因致使失效

如图3（b）所示某些结构的水龙头产品，其需要在被密封管外柱面配以紧定螺钉作为轴向定位的抓手、或者以防止轴向窜位，当紧定螺钉施力后管轴将在其紧固推力的作用下偏向座孔一侧，结果会在紧固螺钉这一侧形成较大的侧隙，若此时紧定螺钉的紧固位置比较靠近密封位置的话则易造成上述侧隙大于O型圈的压紧密封量，那么将在施力侧会产生渗漏失效。

图3 轴基与O型圈若干装配结构不协调实例图

2.4 胶圈老化原因致使失效

O型圈胶圈的材质无论什么品质，最终都将会出现老化而造成密封失效，即便是在正常使用下管道内水压波动、水流速度、水温度交替变化等都会对O型圈产生影响，其中又以高水温是为加快老化速度的最显著影响因素[4]。

2.5 表面质量不佳致使失效

与O型圈作密封相配合的面应该具有较好的表面质量，包括表面粗造度和硬度，当配合面的表面质量较差时无法形成连续的和可靠的密封面，一方面会从粗糙的微细线隙中渗漏而失效，另一方面会造成O型圈本体出现损伤而致使失效，极端情况下还会造成轴基及安装座孔配合面的损伤。

除了上述五种常见失效原因外，O型圈的线径越细小，其在相同条件下生成的密封面则越窄，受尺寸、表面质量的影响也就越大，可靠性也越差，换言之失效的几率将大大增加。

3防漏技术对策研究

3.1 保障O型圈材料品质

O型圈所用的弹性材料必须具有较好的耐水、耐油、耐压性能，亦即耐候性要好。最广泛使用的是丁晴橡胶以及氟橡胶。O型圈品质可以通过选购业界口碑好的厂家的产品来得到保障，但与此同时由于O型圈确实存在短期内可靠性不易检验的情况，所以定位于高中档卫浴产品的企业或许有必要花费一定的时间和资金对O型圈进行性能与寿命的测试与检验。

3.2 保障O型圈与密封环槽选配合理

如图4所示，容纳O型圈抱轴的部位，即环形密封槽的形状及尺寸槽宽W、槽深H的设计尺寸应该依据工程规范进行选用。

图4 水龙头轴基O型圈密封槽尺寸示意图

一般龙头中O型圈是圆柱面旋转密封，其轴基密封环槽的结构尺寸可参照表1.

表1 水龙头轴基O型圈密封槽尺寸规范/mm

3.3 保障配合副的表面质量得当

一般认为表面质量越高，即粗糙度值越小表面越光滑，密封效果越好。另外，轴基环槽及座孔表面的硬度越高也越有利提高O型圈的工作可靠性。为此可通过电镀手段提高管座及轴颈的表面质量。

3.4 保障装配工艺的合理规范

在装配O型圈的过程中，应遵循工艺规范，比如使用专门的工装来辅助装配，在装配时在O型圈配合处在涂抹润滑油脂再装入龙头密封部位等等，另外要配合必要的检验检测装置以及合理的检漏程序。

3.5 保证全部配件符合“三性”要求

无论是O型圈还是轴基管套抑或是座孔等，均需要它们满足和符合“稳定性”、“均匀性”和“一致性”的三性要求，亦即构件的材料性能必须须耐候性好以便能够长期稳定工作，另外工件的各部位性能尤其是各处的表面质量必须保证均匀一致，还有无论制造质量还是装配质量都要应该做到质量的一致性。

4结论

水龙头是当下非常普及的水暖器材，其使用范围和使用频率非常之广泛，而水龙头的轴基O型圈渗水和抱轴不稳是十分常见的故障，对顾客的使用体验有着严重负面的影响，故密封性能优良始终是中高档产品的品质标准之一。本文通过剖析现有水龙头O型圈失效的各种现象和成因，总结了提高水龙头O型圈和其配伍管套及座孔生产配合质量的途径，包括提高制作质量与装配质量的具体措施，对保障水龙头生产质量的稳定性、均匀性和一致性十分有益，为今后进一步改善水龙头O型圈的防漏效能提供了可资借鉴的依据。

[1]李忠国，龚烈航.O圈密封的应用及进展回转压缩机[J].润滑与密封，2002（02）：68-70.

[2]毛俐，黄炉平.O型密封圈与密封槽的选配与应用[J].水雷战与舰船防护，2012（02）：65-71.

[3]王敬华，英霄.浅谈O形圈静密封在液压元件中的实践应用[J].液压启动与密封，2014（03）：66-68.

[4]黄兴涛，郑炜.浅谈O型密封圈在薄壁不锈钢管连接中的密封性与失效研究[J].给水排水，2015（41）：336-339.

[5]蔡能.浅谈O形密封圈用沟槽尺寸设计计算[J].中国制造业信息化，2006（15）：71-72.

Failure Analysis and Countermeasure Study ofO-ring Seal forWater Tap

ZHANG Han-jun1，LIZhong-cai1，LIU Ji1，HE Yu-ming2，LIXin-mo2
（1.Joden（Jiangmen）Inc，Jiangmen Guangdong 529000，China；2.Wuyi University，Jiangmen Guangdong 529020，China）

The main way to prevent leakage of water tap is to use O-ring seal.Five common failure phenomena and causes of the O-ring seal were analyzesd，including disqualification of material，unreasonable structure，positioning methods，rubber material aging and surface quality.And then some countermeasures are proposed to improve the leak proof performance of the O-ring seal.Finally，these conclusions are helpful to improve the stability，uniformity and consistency of the quality of the water tap.

O-ring seal；leakage；sealing；failure analysis；countermeasure

TB42

A

1672-545X（2016）12-0199-03

2016-09-01

2014年广东省本科高校教学质量与教学改革工程-大学生实践教学基地项目（编号：粤教高函[2014]97）；2015年广东省本科高校教学质量与教学改革工程-机械工程应用型本科人才培养示范基地项目（编号：粤教高函〔2015〕133号）；2016广东省本科高校高等教育教学改革项目（编号：粤教高函〔2016〕236号）

张汉军（1977-），男，湖北武汉人，本科，主要从事卫浴五金产品设计制造；刘继（1986-），女，安徽蒙城人，本科，主要从事卫浴五金产品设计制造；李中才（1981-），男，广东江门人，大专，主要从事卫浴五金产品设计制造；何宇明（1991-），男，广东江门人，五邑大学机械工程专业学生；李辛沫（1969-），女，广西南宁人，研究生，教授，主要研究领域为机电产品设计。