机械制造中O形密封圈的密封原理及其失效类型分析

刘贵彬 解小琴

摘 要：机械密封是在补偿机构的磁力（或弹力）和流体压力的作用下，根据垂直于轴作相对滑动的端面并配合辅助密封从而达到阻止泄漏的机械装置，又称作端面密封或轴向端面密封。本文分析了机械密封原理的基础上，给出了O形密封圈基本理论，重点给出了O形的压缩率，以及O形密封圈的失效类型分析。

為O形密封圈的设计分析提供了一定的基础。

关键词：O形密封圈；密封原理；失效类型

一、机械密封原理及其失效类型

因为机械密封通常工作环境比较恶劣，会遇到各种各样的问题，所以在仿真分析中可能会遗漏某些因数素。综合考虑，可做一些假设：

（1）密封副结构均为轴对称结构，而所承受的载荷也具备该特性；

（2）密封副正常工作时，设摩擦系数固定值，材料磨损也可忽略；

（3）密封副所使用材料的物理特性与温度和力没有太大的关系；

（4）材料之间的热传导可被忽略；

（5）假设传热均是由密封表面之间的摩擦产生的，并且在密封端面上的热流密度的分布是均衡的。

机械密封主要包含静环、动环、密封元件和紧固元件等构成。轴的转动带着动环一起旋转，静环和动环的结合面形成密封接触，以阻止介质的泄漏。动环根据封闭空间内介质的压力将其与静环端面接触并紧固，两者接触面形成一层非常薄的液体膜并存在一定的压力比，最终达到密封的效果。机械密封是与机械设备的其它零部件共同配合工作的，机械密封的运行情况和现场状况、本身的特征有直接的联系。

O形密封圈的失效类型：

（1）永久形变 因为O形密封圈通常使用的材料具有粘弹性，其回弹堵塞能力和初始值使用的时间较长，并造成永久变形，逐步消失，最后造成渗漏现象。

（2）间隙咬伤 高压情况下，被密封的结构会出现内径胀大、几何精度不高及零部件不同轴等问题，所有这些会产生密封圈被挤出，并导致密封间隙的距离越来越大。O形密封圈的硬度值也会影响间隙的挤出情况，材料的硬度值与介质的压力值呈反比关系，而与间隙挤出现象呈正比关系。

（3）扭曲现象 当在周向方向时，O形密封圈发生扭转而造成的，在动密封情况下出现的比较多。

二、机械密封环结构参数设计

（一）定义设计变量

根据机械密封的参数特征，设A1和A2分别表示静环和动环密封端面的轴向伸出长度。根据第五章对动静环的力学分析可知，在轴向方向，动环端面有不大的变形量，接触情况一般，选择对动环结构中的参数的进行优化意义较小，所以考虑选择静环的参数来进行优化。由于机械密封的性能受静环端面的水平力及内外径作用的影响，葛培琪人等选择密封端面宽度这一参数去对密封的特性进行研究，但因为与载荷系数K也有直接的关系，在进行优化分析

时，某些参数的性能会改变，因此选择静环端面的伸出长度Al为优化参数最为合适。

（二）定义状态变量

按照优化的基本原理，密封端面出现的小锥度收敛间隙为机械密封的最佳情况。因为端面开口形状呈锥度，其大小不能为无限小，因此对锥度值要求很难满足。

（三）定义目标函数

对动静环的仿真模拟，通常选择密封端面的径向和轴向的变形和应力两种参数。第五章的密封副分析表明，动环的轴向变形和位移较大，随之其轴向间也就较大，这两种种参数有相似的变化，机械密封性能稳定仅需控制两个参数中的一种即可。在轴向方向，动、静环端面的变形及应力会有差别，不满足目标函数所规定的要求；间隙值又要求不能为无限小，所以作目标函数也符合要求；因为接触压力的特殊性能，并且接触的最大接触压力也不能为无限小，因此，目标函数选择为最大接触压力为最理想的参数。

（四）数学模型优化

（1）参数化建模；

（2）对模型施加载荷并解方程组；

（3）在后处理器中获取变量和目标函数值，并将命令流写“LGw”；

（4）对目标函数等相关参数进行定义，并对迭代的次数进行选择；

（5）优化分析并得到结果。

三、结论

对机械密封进行准确的分析存在着众多的困难和难点。而关于以前的密封特性的运算分析通常是依靠重复不断地试验来获得的，因此这就不能很深层次地对密封特性进行评估，因为该种评估主要依靠研究人员多年的经验积累，这不仅阻止技术上的提高，而且也不能满足工程上的要求。

参考文献：

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