密封件设计标准

密封件的设计标准

一．目的

统一规范密封件设计标准，方便开发人员进行密封结构设计。

二．适用范围

标准适用于中宇建材集团所有单位。

三．密封概述

在机械设备中密封的功能是防止泄漏。起密封作用的零部件称为密封件。造成泄漏的原因主要有两方面：一是由于机械加工的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差。因此，在机械零件联接处不可避免地会产生间隙。二是密封两侧存在的压力差，工作介质就会通过间隙而泄漏。消除或减少任一要素都可以阻止或减少泄漏。一般而言，减少或消除间是阻止泄漏的主要途径。密封的作用就是将接合面间的间隙封住、隔离或切断泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力或者在通道中加设小型作功组件，对泄漏物质造成压力，与引起泄漏的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄漏。因此，密封性能是评定产品质量的一个重要指标，它的好坏直接影响到产品性能和使用寿命。

四．密封的分类

1.密封的分类

密封可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封主要有垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。几乎全部静密封都属于接触型密封，动密封既有接触型的，也有非接触型的。一般说来，接触式密封的密封性好，但受磨擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。

根据密封结构的类型、密封机理、密封件形状和材料等，密封可按表2-1分类。

表2-1 密封的分类

密封

2.密封的类型及材料

一) 对密封的基本要求是密封性好，安全可靠，寿命长，并应力求结构紧凑，系统简单，制造维修

方便，成本低廉，保证互换性，实现标准化、系列化。

二) 密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密

封材料具有不同的适用性。对密封材料的要求一般是：

1)材料致密性好，不易泄漏介质

2)有适当的机械强度和硬度﹔

3)压缩性和回弹性好，永久变形小﹔

4)高温下不软化、不分解，低温下不硬化、不脆化﹔

5)抗腐蚀性能好，在酸、碱、油等介质中能长期工作，其体积和硬度变化小，且不粘附在金属

表面上﹔

6)摩擦系数小，耐磨性好

7)具有与密封面接合的柔软性﹔

8)耐老化性好，经久耐用﹔

9)加工制造方便，价格便宜，取材容易﹔

显然，任何一种材料要完全满足上述要求是不可能的，但具有优异密封性能的材料能够满足上述大部分要求。

三) 卫浴产品设计常用密封类型及材料

1)胶密封：

常用的密封胶为乐泰(Loctitle)胶。具体品牌号及相关性能可参见说明书。

红(色)胶：用于紧固密封。如螺纹联接。

蓝(色)胶：用于要拆卸的螺纹紧固密封。

黄(色)胶：如结构胶(326#),适用于铜母材的不可拆联接，绝氧固化时间为5分钟。

黑(色)胶：紧固性介于红、蓝胶之间。

2)垫密封

a)密封垫是靠外力压紧而产生弹性或塑性变形，从而填满金属表面上微小的凹凸不平来实现

密封。如果压力太小，垫片没有压紧就不能止漏，但压紧力太大往往又会使垫片产生过大的压缩变形甚至破坏。因此，为了正确地使用密封垫，必须采用恰好保证密封的最小压紧力。

b)公司常用密封垫的材料有：

１＞橡胶：最常用的橡胶材料为丁晴橡胶(NBR)。对于要求有相关卫生认证的橡胶材料(包括O形密封圈)在采用时一定要选用取得认证许可的供货商，且采用取得认证的材料

制作。因为在热水使用条件下一般会有更多的毒性物质释放出来。所以，有于与热

水接触时取得认证会比冷水条件下更难。因此，在选用时不只是关心是否通过认证，

而且要看是否适用于冷热水。

NSF---美国药物食品认证。

WRC---英国标准认证(相关标准为BS-6920等)。

QAS---Quality Assurance System 澳洲标准认证(相关标准为AS-4020; AS-3718等)，在非金属部分，可直接认同并接受WRC和NSF的认证。

２＞EVA：发泡塑料，排杆组与水槽接触处，欧式水龙头黑底及水槽周边均有广泛应用。

３＞高压红纸板：耐高温，耐高压，抗老化。适用静态端面密封。如部分心轴组与本体的端面密封。

４＞软性塑料：

c)具体材料见表2-2（橡胶）。

表2-2 橡胶材料物性表

◎特佳○佳□普通╳差

3)成型填料密封

成型填料密封泛指用橡胶、塑料、皮革、及金属材料经模压或车削加工成型的环状密封圈。

它是靠填料本身在机械压紧力或介质压力的自紧作用下产生弹塑性变形而堵塞流体泄漏信道的，其结构简单紧凑，密封性能良好，品种规格多，工作参数范围广，是往复运动密封及静密封的主要结构型式之一。成型填料按工作特性分为挤压型密封圈和唇形密封圈两类。按材料可分为橡胶类、塑料类、皮革类和金属类。各种材料的挤压型密封圈中橡胶挤压型密封圈应用最广，其中O-Ring历史最悠久，最典型，也是公司应用得最多的一种密封件。下面着重介绍一下O-Ring的设计。

五．O-Ring的设计

1. 概述

工程上最常用的橡胶O-Ring截面为圆形，其形状十分简单，制造容易，成本低廉。它是用金属模具将橡胶热压成型经硫化处理后制成的，具有良好的密封性，使用范围很宽，从1.333X10– 5的真空，到400Mpa的高压(动密封达35Mpa)。如果材料选择恰当，使用温度范围可从-60℃到200℃。

而且使用不同材料的O-Ring，大多可以满足各种介质和各种运动条件的要求。

O-Ring具有如下的优点：

1)密封部位结构简单，安装部位紧凑，重量较轻。

2)有自密封作用，往往只用一个密封件便能完成密封。

3)密封性能较好，用作静密封时几乎可以做到没有泄漏。用于往复运动时，在往复行程中密封

性能不变，泄漏很小，只有在速度较高时才有些泄漏。

4)运动摩擦阻力很小，对于压力交变的场合也能适应。

5)成本低廉，便于使用和外购。

2. O-Ring的密封机理

O-Ring的初始接触压力是不均匀的(图3-1a)，工作时在内压作用下O-Ring沿作用力方向移动，并改变其截面形状，密封面上的接触压力也相应变化(图3-1b)，其最大值P max将大于介质内压，所以不发生泄漏。这是O-Ring用作静密封的密封机理。这是借介质本身压力来改变O-Ring接触状态使之

实现密封的过程，称为“自封作用”。实践证明，这种自封作用对防止泄漏是很有效的。

为了实现自封作用，在安装O-Ring时应使它有一定的压缩变形量。当槽壁的粗糙度较低时，此变形量即使很小(在0.1mm左右)也能起自封作用。但是，如果槽壁的粗糙度很高而内压很小时，就很

难产生自封作用，此时，需要增大压缩变形量。在温度变化的情况下，需要把温度影响的附加变形量考虑进去。

从密封性来看，O-Ring是非常理想的静密封件，但是当它的硬度和压缩变形率选择不当时，则可能发生泄漏。一般来讲，内压越高，应选用硬度较高的O-Ring。如果硬度不够高，把它的压缩变

O-Ring用作往复运动

3. O-Ring的材料

一）对O-Ring的材料有下列要求：

1)富有弹性和回弹性。

2)有适当的机械强度，包括抗张强度、延伸率和抗撕裂强度等。

3)性能稳定，在介质中不易溶胀，热收缩效应(焦耳效应)小。

4)易加工成型，并能保持精密的尺寸。

5)不腐蚀接触面，不污染介质等。

二）选择O-Ring的材料，主要考虑下列各点：

1)O-Ring的工作状态这是指O-Ring用于静密封还是动密封，是滑动还是转动。

2)机器的工作状态指机器处于连续工作还是断续工作，并应考虑到每次断续时间的长短，是

否有冲击载荷作用在密封部位。

3)工作介质的情况，工作介质是液体还是气体，并考虑其物理和化学特性。

4)工作压力压力大小，波动幅度和频率以及瞬时出现的最大压力等。

5)工作温度包括瞬时出现的温度以及热冷交变的温度。

6)价格与来源以及是否通过认证等。

每种橡胶的配方不同，成分不同，对介质的适用性也不同(具体物性可参见表2-2)，另外橡胶的硬度值也是需要考虑的，一般橡胶密封件之硬度为shore 70±5度，但在内压低，摩擦小的场合，硬度允许低于70度，而在高压下或转动使用下，可以高于90度，但很少使用。

4. O-Ring密封的沟槽

沟槽设计包括确定槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙度等。对动密封，还要确定相对运动间隙。其原则是:加工容易，尺寸给定合理，精度容易保证，O-Ring装拆较为方便等。具体的尺寸设计见表3 –3和表3 - 4。

1) 槽宽：槽宽须大于O-Ring压缩变形后的最大直径﹔应考虑到O形圈由于运动发热引起的膨胀和

介质引起的溶胀﹔须保证往复运动时槽内有一定的空间使O-Ring滚动自如。一般认为，O -Ring 的截面面积应占矩形槽截面面积的85﹪~90﹪。槽不宜太窄，如果O-Ring截面填满了槽的截面，那么运动时的摩擦阻力将会特别大，因为此时O-Ring无法滚动，同时引起严重磨损。槽不宜过宽，太宽时O-Ring的游动范围很大，也很容易磨损，特别是静密封时，如果工作压力是脉动的，那么静密封就会“不静”，它将在不适宜的宽槽内以同样的脉动频率游动，出现异常磨损，O-Ring 很快就损坏。

2) 槽深：槽深是O-Ring能否良好工作的关键性尺寸，主要取决于O-Ring的压缩变形量。此变形

量由O-Ring内径处的压缩变形量E1和外径处的压缩变形量E2所组成，即E = E1+E2(图3-2)，当E1 = E2时，O-Ring的截面中心与槽的截面中心相重合，说明O-Ring安装时未受到拉伸。

若E1 ＞E2，说明O-Ring以拉伸状态装在槽内。若E1＜E2，此时O-Ring是周向压缩来使用，拆卸时，O-Ring会出现弹跳现象。设计槽深时，应首先确定O-Ring的使用方式，然后再去选定合理的压缩变形率。一般应取图3-2b的使用方式。但O-Ring作活塞密封时，为使接触面摩擦轻，多采用图3-2c的使用方式。作转轴密封时，为使内周接触面摩擦轻而多采用图3-2a的

3) 槽口及槽底圆角尺寸：槽底的圆角主要是为了避免该处产生应力集中而设计的，同时槽底加工

过程中无圆角时刀具很容易磨损或断裂。所以其大小要适宜，根据使用经验，槽底的圆角半径可取0.2~0.5 mm。槽口处的圆角是为了防止O-Ring装配时刮伤而设计的。因为O-Ring快到槽口时，由于其收缩力作用下，它很快滑入槽内，如果槽口无圆角，锋利的棱角很容易刮伤

O-Ring。但圆角太大时了容易使O-Ring发生“挤出”现象，所以，一般槽口圆角半径取得很小，仅为0.1~0.2 mm。

4) 间隙：往复运动的活塞与缸壁(即轴、孔)之间必须有间隙，其大小与介质工作压力和O-Ring材

料的硬度有关。一般内压越大，间隙越小﹔硬度越大，间隙越大。间隙的给定数值与零件的制造精度有较大关系，各国都不一致。根据公司的具体情况，一般单边间隙取0.10~0.30 mm，并选适当的尺寸公差0.05~0.10 mm。

5) 槽壁粗糙度：静密封用O-Ring工作过程中不运动，所以槽壁的粗糙度用R a =6.3~3.2μm。对

于往复运动用O-Ring，因常在槽内滚动，槽壁与槽底的粗糙度应当低一些，要求在R a =1.60μm以下。旋转运动用的O-Ring一般是静止的，要求轴的粗糙度R a =0.40μm或者抛光。

5. O-Ring密封设计

O-Ring的标准化、系列化，便于使用和外购，从而降低成本。各个国家和地区都制订了相应的标准。根据公司的实际情况，在表3-1及表3-2中列出了公司常用O-Ring的尺寸规格系列。工程技朮人员在O-Ring密封设计时，请参考相关标准(如AS 568、

O-Ring

3-a (杆式密封) 3-b（孔式密封）

2.杆式密封槽底直径d 3公差一般取负偏差 左右。

3.孔式密封槽底直径d 6公差一般取正偏差 左右。

2.沟槽深度h 公差一般取正偏差 左右。

O-Ring 压缩量计算的经验公式：

｛〔(d 1＋2Xd 2)?2－d 1?2＋d 3?2〕?(1/2)｝－d 4＋k = 双侧压缩量(mm)

说明： ?------乘方 K------修正值，取+/-0.1~0.15 d1-----O-Ring 内径

一般与线径和内径的大小类似成正比的为0.4~0.9mm 为宜。常用的动态密封为0.6~0.7mm 条件：O-Ring 的内径扩张量不大于内径(≧28mm)的3﹪，或不大于2mm(内径＜28mm)。