大規格橡膠O型圈使用不當會加速它的損壞,喪失密封性能。長期工作證明;如密封裝置各部分設計合理,只是提高壓力,不會造成大規格O型圈的破壞。在高壓、高溫的工作條件下,大規格O型圈破壞的原因是大規格O型圈被擠入密封槽而引起的間隙在運動時出現扭曲造成的。
1、滑動表面對大規格O型圈的影響
滑動表面的粗糙度是影響大規格O型圈表面摩擦與磨損的直接因素。一般地說,表面光潔摩擦與磨損就小,所以滑動表面的粗糙度數值往往很低(Ra0.2~0.050μm)。但是,試驗表明,表面粗糙過低(Ra低于0.050μm)又會給摩擦與磨損帶來不利的影響。這是因為微小的表面凹凸不平,可以保持必要的潤滑油膜。因此要選擇適當的表面要求。 滑動表面的材質對大規格O型圈的壽命也有影響。滑動表面材質的硬度越大、耐磨性越高、保持光潔的能力就越強,大規格O型圈的壽命也就越長。這也是液壓缸活塞桿表面鍍鉻的重要原因。同理可以解釋具有同樣粗糙度的用銅、鋁合金制成的滑動表面比鋼制滑動表面對密封圈的摩擦與磨損更為嚴重,低硬度、大壓縮量的密封圈不如高硬度、小壓縮量的密封圈耐用的情況。
3、降低缸筒和或罐釜溝槽的表面粗糙度。
4、采用氟膠或硅膠的材料制做
當密封的間隙具有相對運動時,工作環境中的灰塵和沙粒等被粘附在活塞桿表面,并隨著活塞桿的往復運動與油膜一起被帶入缸內,成為侵入大規格O形密封圈表面的磨粒,加速大規格O型圈的磨損,以致其失去密封性。為了避免這種情況發生,在往復運動式密封裝置的外伸軸端處必須使用防塵圈。
5、間隙咬傷
被密封的零件存在著幾何精度(包括圓度、橢圓度、圓柱度、同軸度等)不良、零件之間不同心以及高壓下內徑脹大等現象,都會引起密封間隙的擴大和間隙擠出現象的加劇。大規格O型圈的硬度對間隙擠出現象也有明顯的影響。液體或氣體的壓力越高,大規格O型圈材料硬度越小,則其的間隙擠出現象越嚴重。
防止間隙咬傷的措施是,對大規格O形圈的硬度和密封間隙加以嚴格的控制。選用硬度合適的密封材料控制間隙。常用的O型圈的硬度范圍是75-80。低硬度者用于低壓,高硬度者用于高壓。
大規格O型圈如果裝配的妥善,并且使用條件適當,一般不大容易在往復運動狀態下產生滾動或扭曲,因為大規格O型圈與槽的接觸面積大于在滑動表面上的摩擦接觸面積,而且大規格O型圈本身的抗拒能力原來就能阻止扭曲。摩擦力的分布也趨向保持大規格O型圈在其溝槽中靜止不動,因為靜摩擦大于滑動摩擦,而且溝槽表面的粗糙度一般不如滑動表面的粗糙度。
另外,由于密封溝槽存在著同軸度偏差,密封高度不相等以及大規格O型圈截面直徑不均勻等現象,可能使得大規格O型圈的一部分壓縮過大,另一部分過小或不受壓縮。當溝槽存在偏心即同軸偏差大于大規格O型圈的壓縮量時,密封會完全失效。密封溝槽同軸度偏差大的另一個害處是使大規格O形圈沿圓周壓縮不均。此外還有由于大規格O型圈截面直徑、材質硬度、潤滑油膜厚度等的不均以及密封軸表面粗糙度等因素的影響,導致大規格O型圈的一部分沿工作表面滑動,另一部分則發生滾動,從而造成大規格O型圈的扭曲。運動用大規格O型圈很容易因扭曲而損壞,這是密封裝置發生損壞和泄漏的重要原因。因此提高密封溝槽的加工精密度以及減小偏心是保證大規格O型圈具有可靠的密封性和壽命的重要因素。
安裝大規格O型圈時它一定保證其不能處于扭曲狀態,假如在安裝時就被扭曲,則扭曲馬上會造成斷裂,造成馬上大量漏油,而切斷的大規格O型圈如密封的是蒸汽系統,會瞬間大量漏氣,造成重大人身傷害。
為了防止大規格O型圈的扭曲損壞,在安裝時一定應注意以下幾點
1)大規格O型圈安裝槽的深度和寬度,應從不產生扭曲來考慮。
2)大規格O型圈斷面尺寸應均勻,如是旋轉密封或軸用密封應加裝四氟擋圈,防止翻轉扭曲。
3)大規格O型圈在用于靜密封時應注意撫平防止沒如槽或扭曲。
6、摩擦力與大規格O型圈的應用
在動密封裝置中,摩擦與磨損是大規格O型圈損壞的重要影響因素。磨損程度主要取決于摩擦力的大小。當液體壓力微小時,大規格O型圈摩擦力的大小取決于它的預壓縮量。當工作液體承受壓力時,摩擦力隨之工作壓力的增加而增大。在工作壓力小于20MPa的情況下,近似地呈線形關系。壓力大于20MPa時,隨著壓力的增加,大規格O型圈與金屬表面接觸面積的增加也逐漸緩慢,摩擦力的增加也相應緩慢。在正常情況下,大規格O型圈的使用壽命隨著液體壓力的升高將會近似的呈平方關系而減小。
摩擦力的增加,使得旋轉或往復運動的軸與大規格O形密封圈之間產生大量的摩擦熱。由于多數大規格O型圈都是用橡膠制成的,導熱性極差。因此,摩擦熱就會引起橡膠的老化,導致大規格O型圈實效,破壞其密封性能。摩擦還會引起大規格O型圈表面損傷,使壓縮量減小。嚴重的摩擦會很快引起大規格O型圈的表面損壞,失去密封性。作氣動往復運動用密封時,摩擦熱還會引起粘著,造成摩擦力進一步增加。
運動用密封在低速運動時,摩擦阻力還是引起爬行的一個因素,影響元件和系統的工作性能。所以對運動密封來說,摩擦性是重要性能之一。摩擦系數是摩擦特性的一個評價指標,合成橡膠摩擦系數較大,由于密封在運動狀態時,通常處于工作油液或潤滑劑參與的混合潤滑狀態,摩擦系數一般在0.1以下。
摩擦力的大小在很大程度上取決于被密封件的表面硬度與表面粗糙度。
7、大規格O型圈用的合成橡膠材料是屬于粘彈性材料,所以初期設定的壓緊量和回彈堵塞能力經長時間的使用,會產生永久變形,最終發生泄漏。永久變形和彈力消失是大規格O型圈失去密封性能的主要原因。
大規格O型圈所用的各種橡膠,在壓縮狀態下都會產生壓縮應力松弛現象,此時,壓縮應力隨著時間的增長而減小。使用時間越長拉伸量越大,由橡膠應力松弛而產生的應力下降就越大,以致大規格O型圈彈性不足,失去密封能力。因此,在允許的使用條件下,設法降低壓縮率是可取的。增加大規格O型圈的截面尺寸是降低壓縮率最簡單的方法,不過這會帶來結構尺寸的增加。
大規格O型圈截面變形的程度,還取決于大規格O型圈材質的硬度。在拉伸量相同的情況下,硬度大的O型圈,其截面高度也減小較多,從這一點看,應該按照使用條件盡量選用低硬度的材質。在液體壓力和張力的作用下,橡膠材料的大規格O形密封圈也會逐漸發生塑性變形,其截面高度會相應減小,以致最后失去密封能力。 使用溫度是影響大規格O型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,其的壓縮永久變形就越大。當永久變形大于40%時,大規格O型圈就失去了密封能力而發生泄漏。因壓縮變形而在大規格O型圈的橡膠材料中形成的初始應力值,將隨著大規格O型圈的馳張過程和溫度下降的作用而逐漸降低以致消失。溫度在零下工作的O型圈,其初始壓縮可能由于溫度的急劇降低而減小或完全消失。在-50~-60℃的情況下,不耐低溫的橡膠材料會完全喪失初始應力;即使耐低溫的橡膠材料,此時的初始應力也不會大于20℃時初始應力的25%。這是因為大規格O型圈的初始壓縮量取決于線脹系數。所以,選取初始壓縮量時,就必須保證在由于馳張過程和溫度下降而造成應力下降后仍有足夠的密封能力。
工作介質的壓力是引起大規格O型圈永久變形的主要因素。現代液壓設備的工作壓力正日益提高。長時間的高壓作用會使大規格O型圈發生永久變形。因此,設計時應根據工作壓力選用適當的耐壓橡膠材料。工作壓力越高,所用材料的硬度和耐高壓性能也應越高。
為了改善大規格O型圈材料的耐壓性能,增加材料的彈性(特別是增加材料在低溫下的彈性)、降低材料的壓縮永久變形,一般需要改進材料的配方,加入增塑劑。但是,具有增塑劑的大直徑O形圈,長時間在工作介質中浸泡,增塑劑會逐漸被工作介質吸收,導致大規格O形圈體積收縮,甚至可能使大規格O形密封圈產生負壓縮。因此,在計算大規格O形圈進行模具設計時,應充分考慮到收縮量。使制出的大規格O形圈在壓縮實驗30晝夜后仍能保持必要的尺寸。
大規格O型圈材料的壓縮永久變形率與溫度有關。當變形率在40%或更大時,即會出現泄漏,所以幾種膠料的耐熱性界限為:丁腈橡膠70℃,三元乙丙橡膠100℃,氟橡膠140℃。因此各國對大規格O型圈的永久變形作了規定。同一材料的O型圈,在同一溫度下,截面大的大規格O型圈壓縮永久變形率較低。
在油中大規格O型圈的情況就不同了。由于其不與氧氣接觸,所以上述不良反應大為減少。加之又通常會引起膠料有一定的膨脹,所以因溫度引起的壓縮永久變形率將被抵消。因此,在油中的耐熱性大為提高。以丁腈橡膠為例,它的工作溫度可達120℃或更高。