O形密封圈的設(shè)計和使用不當(dāng)會加速密封性能的損壞和損失。實(shí)驗(yàn)表明,如果密封裝置各部分的設(shè)計合理,簡單地增加壓力不會對O形密封圈造成損壞。在高壓和高溫的工作條件下,O形密封圈損壞的主要原因是O形環(huán)材料的永久變形和O形環(huán)被擠壓到密封間隙中引起的間隙咬合,導(dǎo)致主O形環(huán)在運(yùn)動過程中變形。
O形圈材料的永久變形
由于用于O型環(huán)的合成橡膠材料是粘彈性材料,長期使用后,其初凝壓縮量和回彈阻斷能力會發(fā)生永久變形并逐漸喪失,最終導(dǎo)致泄漏。永久變形和彈性損失是導(dǎo)致O形密封圈密封性能下降的主要原因。以下是O形圈材料永久變形的主要原因。
1) 壓縮率與O形環(huán)材料的拉伸量和永久變形之間的關(guān)系。生產(chǎn)O型環(huán)時使用的各種橡膠配方在壓縮下會經(jīng)歷壓縮應(yīng)力松弛。此時,壓縮應(yīng)力隨著時間的推移而減小。使用時間越長,壓縮率和拉伸量越大,橡膠應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力降低越大,導(dǎo)致O型環(huán)彈性不足,密封能力喪失。因此,建議在允許的使用條件下盡量降低壓縮率。增加O形密封圈的橫截面尺寸是減少壓縮的最簡單方法,但這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸的增加。
需要注意的是,在計算壓縮比時,人們經(jīng)常忽略組裝過程中O形環(huán)拉伸導(dǎo)致的截面高度降低。O形密封圈橫截面積的變化與其周長的變化成反比。同時,由于張力的影響,O型環(huán)的橫截面形狀也會發(fā)生變化,表現(xiàn)為其高度的減小。此外,在表面張力的作用下,O形環(huán)的外表面變得更平坦,即截面高度略有減小。這也是O形密封圈中壓縮應(yīng)力松弛的表現(xiàn)。
O形環(huán)橫截面的變形程度也取決于O形環(huán)材料的硬度。當(dāng)拉伸量相同時,具有高硬度的O形密封圈的截面高度也顯著降低。從這個角度來看,應(yīng)根據(jù)使用條件盡可能選擇硬度低的材料。在液體壓力和張力的作用下,橡膠材料的O型環(huán)會逐漸發(fā)生塑性變形,O型環(huán)的截面高度也會相應(yīng)減小,導(dǎo)致密封能力的喪失。
2) 溫度與O形密封圈松弛過程的關(guān)系
溫度是影響O形密封圈永久變形的另一個重要因素。高溫會加速橡膠材料的老化。工作溫度越高,O形密封圈的壓縮永久變形就越大。當(dāng)永久變形超過40%時,O型環(huán)失去密封能力并泄漏。由于壓縮變形而在O形環(huán)的橡膠材料中形成的初始應(yīng)力值將隨著O形環(huán)松弛過程和溫度降低的影響而逐漸減小和消失。在零度以下的溫度下工作的O形環(huán)的初始壓縮可能會由于溫度的急劇下降而減少或完全消失。不耐低溫的橡膠材料在-50至-60℃的溫度范圍內(nèi)會完全失去其初始應(yīng)力;即使是耐低溫的橡膠材料,此時的初始應(yīng)力也不會超過20℃時初始應(yīng)力的25%。這是因?yàn)镺形環(huán)的初始壓縮取決于線性膨脹系數(shù)。因此,在選擇初始壓縮量時,有必要確保即使在松弛過程和溫度下降引起的應(yīng)力下降之后仍有足夠的密封