圖1 密封圈接觸壓力分布
陳愛平 周忠亞
摘 用O形密封圈(以下簡稱密封圈)密封是最常用的一種密封方式，然而至關重要的是如何正確地選擇密封圈和設計密封圈槽尺寸。常規的方法是將密封圈套在寶塔上用游標卡尺測量外徑，再確定其相應尺寸。這種方法的弊端是：(1)密封圈是彈性體，外徑測量不準確；(2)在設計新工具時，往往沒有現成的密封圈，難以確定尺寸，其過盈量往往掌握不準。過盈量太大時密封圈易被剪切損壞，太小時又容易失封。針對這種狀況，筆者提出一種選配密封圈的理論計算方法（指外密封圈），以供參考、討論。
密封圈的密封機理［1］
密封圈密封屬于擠壓彈性體密封，是靠密封環預先被擠壓由彈性變形產生預緊力，同時工作介質壓力也擠壓密封環，使之產生自緊力。也就是說，擠壓彈性體密封屬于自緊式密封。" j" Z x4 o" n7 Y9 I
密封圈在介質壓力p1作用下，其受力狀況如圖1所示，產生的接觸壓力為
pc=pco+Δpc(1)
式中 pc——介質壓力下的總接觸壓力，MPa；
pco——密封圈初始壓力，稱之為預接觸壓力，MPa；
Δpc——介質壓力經密封圈傳遞給接觸面的接觸壓力，稱為介質作用接觸壓力，Δpc=κp1,MPa，其中κ為側壓系數，κ=υ/(1-υ),對于橡膠密封件κ≈0.9～0.985；υ為密封圈材料的泊松比，對于橡膠密封件，υ=0.48～0.496。
圖1 密封圈接觸壓力分布
要保持密封，必須保證pc＞p1，而Δpc永遠小于p1，故應保持足夠的預接觸壓力pco，即密封圈要有足夠的預壓縮率，才能保證密封。但如果預壓縮率太大，又會影響密封圈的工作壽命，因此密封圈和密封圈槽尺寸的合理匹配是延長密封圈無泄漏密封壽命的必要保證。
密封圈及密封圈槽的選配方法
內密封圈的選配比較簡單，不再贅述，這里只介紹一種外密封圈的選配方法。 b: I3 Z0 u( U6 x2 Y6 u9 R
假定孔、軸直徑分別為D、d，所選密封圈為D0×d0，問題是如何確定密封圈槽的底徑D1，如圖2所示。
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圖2 密封圈及密封圈槽尺寸
密封圈被套在密封圈槽上之后，一般都有一定的拉伸量，其斷面直徑d0變小了，假定變為d1，根據體積不變原理，則密封圈安裝前后的體積相等，即
(2)
式中 D0——密封圈外徑，mm；
d0——密封圈斷面直徑，mm；
D——孔直徑，mm；
δ——密封圈過盈量，mm；: o; X+ F- A# q0 C" `, o& U/ b, e
d1——拉伸后的密封圈斷面直徑，mm。& l$ p' t0 u: `2 S; z+ T- Y
式(2)中，δ值可根據D值從表1中選取，D0、d0為已知值，則可計算出d1。為了簡化計算，用D+δ-d0代替D+δ-d1計算，則式(2)可簡化為
(3)
簡化后計算出的d1值有一定的誤差，將d1再回歸到式(3)中計算，求出d2，即
(4)
式中 d2——拉伸后的密封圈斷面直徑，mm。
如此類推，可計算出d3、d4……,一般來說，d2值就已達到要求，則密封圈槽底徑D1為
D1=D+δ-2d2(5)
現舉例說明以上計算，如Y341—148注水封隔器活塞孔、軸尺寸為?136H9/d9(孔為?136 +0.10mm)，所選密封圈為?135mm×5mm，過盈量δ選為1.3mm，則變形后的密封圈斷面直徑為
取d2=4.96mm，則
D1=D+δ-2d2=127.38mm
結合孔徑?
配上公差后，則槽底徑D1為
。+ ^5 h, l1 @8 D9 A9 j& g) K
假定沒有?135mm×5mm的密封圈，只有?132mm×5mm的密封圈，則密封圈槽底徑可用同樣方法算得，即配上公差后D1為?
。
由以上計算可知，根據不同的密封圈，可以計算出不同的密封圈槽尺寸，可見這種方法比較簡單、靈活。但是為保證密封長期有效地工作，還必須合理選擇其壓縮率、拉伸量和孔軸配合精度等相關參數。
相關參數的確定與應用
1.壓縮率ε或過盈量δ 密封圈是典型的擠壓型密封。如圖3所示，其壓縮率ε通常由下式表示
式中 h0——密封圈槽底至被密封面的距離，mm。
圖3 密封圈壓縮率
對于圓柱面靜密封和往復動密封，ε=10%～15%；對于平面靜密封，ε=15%～30%；旋轉動密封ε=3%～8%；低摩擦密封ε=5%～8%。4 Y' W/ f0 P+ P7 J2 P+ H
選取密封圈壓縮率時主要應考慮的因素，一是要有足夠的密封面接觸壓力；二是摩擦力應盡量小；三是應盡量避免永久性變形。7 T2 H4 e* A; K6 s' E
與壓縮率ε相對應的是過盈量δ，過盈量δ表示密封圈的預壓縮情況，其推薦值見表1。
表1基本尺寸與過盈量關系推薦值 mm
孔直徑D尺寸范圍 | 過盈量δ | |
動密封 | 靜密封 | |
＜30 | 0.25～0.33 | 0.3～0.4 |
30～50 | 0.35～0.50 | 0.4～0.6 |
50～80 | 0.50～0.70 | 0.6～0.8 |
80～120 | 0.70～1.00 | 0.8～1.2 |
＞120 | 1.00～1.40 | 1.2～1.6 |
注：井下工具用密封圈多為靜密封，δ值應從靜密封欄中選取。/ K+ j' {/ j: [9 c( f7 F# i
2.拉伸量 密封圈裝入密封圈槽后，一般都會有一定的拉伸量。但據所查閱的資料可知，尚未對拉伸量有明確的定義。根據筆者的理解，拉伸量應是拉伸后的密封圈中徑與自然狀態時的中徑之比，即
a=(D1+d2)/(D0-d0)(6)
式中 a——密封圈的拉伸量，mm。
a的通常推薦值為1.01～1.05。筆者一般取值為1.05，特殊情況下，甚至取為1.1。為了保證密封圈裝入密封圈槽后不至太松，a值取得稍大。2 a4 a0 E5 T+ v
3.密封圈槽的寬度與形狀 一般推薦的密封圈槽尺寸見表2，其形狀如圖4所示。槽寬大致為密封圈斷面直徑的1.3倍，而平時設計中往往是密封圈槽寬度與密封圈斷面直徑相等，或者不論密封圈斷面直徑多大，密封圈比槽寬0.5mm。采用這種尺寸設計的弊端是：(1)用起子或鐵釬撬密封圈時，容易損壞密封圈槽，尤其是內密封圈槽，這將降低其耐壓差能力；(2)孔、軸相套時，由于密封圈有預過盈量，槽太窄易剪切密封圈。因此，今后在設計密封圈槽寬時應規范尺寸。在加工r為0.1～0.2和R為0.2～0.5的圓弧時，要特別注意r處，如果太尖，在承受高壓時易損壞密封圈，需用砂布將其稍稍打鈍。
表2 密封圈槽的尺寸［1］mm
密封圈斷面直徑d0 | 槽寬B | R | r |
1.9 | 2.5 | 0.2 | 0.1 |
2.4 | 3.2 | 0.2 | 0.1 |
3.1 | 4.0 | 0.3 | 0.1 |
3.5 | 4.5 | 0.3 | 0.1 |
4.6 | 6.1 | 0.4 | 0.2 |
5.7 | 7.5 | 0.4 | 0.2 |
8.6 | 11.0 | 0.5 | 0.2 |
圖4 密封圈槽的標準形狀
4.軸孔配合公差 在承受大于16MPa以上壓差時，孔、軸配合一般推薦為H8/f8或H8/f7，在承受高壓情況下，還要安裝密封擋環［1］。而井下工具工作壓力一般超過16MPa，所用孔、軸配合常常采用H9/d9、H10/d10、H10/c10，甚至H11/c11，一方面精度等級較低，另一方面軸、孔間隙太大。這就要求密封圈的過盈量也要大。如Y241—150酸化壓裂封隔器的軸、孔配合采用H8/e8，Y341—148堵水封隔器采用H9/d9，軸、孔基本尺寸相同的酸化壓裂封隔器密封圈的過盈量比堵水封隔器的小，密封效果就好。/ f9 ?1 r* [+ |& W3 l7 f
相同精度等級軸、孔的配合間隙不同，其受力狀況是有區別的，如H10/c10的軸、孔間隙比H10/d10大，密封圈在相同壓力p1作用下，其受剪切力的面積大，則總作用力就大，密封圈損壞的可能性加大，但如果軸、孔間隙過小，則軸、孔的同軸度要求更高，加工難度增大。
如果片面追求高精度，勢必增加加工難度和成本。考慮到試制車間的加工水平及井下工具的實際工作狀況（主要是靜密封），筆者建議密封圈密封面的軸、孔配合應優先選用H8/e8，在使用要求不高的情況下，也可選用H9/e9。
5.橡膠硬度 在工作壓力8～16MPa范圍內，橡膠推薦硬度為70～80HS；16～32MPa范圍內，推薦硬度為80～90HS。應加強密封圈進貨質量檢驗。
建 議
(1)密封圈槽的尺寸和形狀應規范設計，不可隨心所欲。
(2)為保證密封圈長期有效地工作，必須合理選擇壓縮率（或過盈量）、拉伸量和孔軸配合精度等。
(3)密封圈及密封圈槽的選配可由計算求得。
陳愛平,助理工程師,生于1966年,1987年畢業于重慶石油學校礦機專業,現從事井下工雎具研究工作.
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陳愛平（江漢石油管理局采油工藝研究院）
周忠亞（江漢石油管理局采油工藝研究院）
參 考 文 獻
［1］顧永泉.流體動密封.東營：石油大學出版社，1990:327～347
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