來源：《機械工程師》 2021年第5期
王會 王迪 張紅
（西安航空制動科技有限公司）
摘 要：O形密封圈的安裝質(zhì)量影響液壓、氣動產(chǎn)品的密封性，通過分析O形密封圈的損傷機理，從密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配細節(jié)兩個方面，對避免O形密封圈出現(xiàn)安裝損傷的措施與方法進行了歸納說明。
1 前言
O形密封圈因為結(jié)構(gòu)簡單，目前仍是液壓、氣動產(chǎn)品使用Z為廣泛的密封零件，它的安裝質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的密封性。飛機剎車系統(tǒng)中，附件產(chǎn)品是壓力的調(diào)節(jié)與輸入端，剎車裝置是剎車的Z終執(zhí)行端，它們的密封性會危及到飛機的正常使用及安全，因此，防止O形密封圈安裝損傷是確保裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)。
2 損傷機理
根據(jù)密封圈槽在軸上還是筒上，通常將密封結(jié)構(gòu)分為Ⅰ型和Ⅱ型（如圖1），兩者裝配順序一致：先將密封圈裝入軸或筒上的密封槽，再對軸與筒進行組合。
對于Ⅰ型密封，O形密封圈通過拉扯翻越臺肩的過程中，本身就存在機械劃傷、翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)不均的可能，緊箍于密封槽D1上之后，除非人為理順干預(yù)，又會因密封圈拉伸率對彈性恢復(fù)的阻滯而將扭轉(zhuǎn)變形保留下來。裝有密封圈的軸推入筒中時，雖然密封圈外徑因拉伸率變小，但仍然大于筒的內(nèi)徑DD，這意味著密封圈必將受到擠壓，如果引導(dǎo)不足或壓縮率過大，密封圈自然會被擠出或產(chǎn)生起皮現(xiàn)象，當然前行的過程中，摩擦力還有帶動密封圈向后翻轉(zhuǎn)的趨向，假如筒壁存在孔或槽，密封圈滑過這些部位時還存在因其彈性導(dǎo)致外壁材料鼓入而被咬傷的風(fēng)險（如圖2），此外，密封圈部分材料也會被摩擦力拉向后端軸、筒配合間隙，是否會被夾傷則取決于凸出量。由于旋合有周向和軸向兩個方向的運動，所以當軸與筒間采用螺紋連接時，密封圈除會產(chǎn)生軸推入筒中時的變化外，其截面高度在周向摩擦力的作用下趨于拉伸變小，嚴重時密封圈局部可能因為材料的堆積、腫脹而鼓出密封槽被夾傷或剪斷，即使全部進入配合不損傷，密封圈的壓量不均也會加重其下行時扭轉(zhuǎn)的概率。
對于Ⅱ型密封，O形密封圈只能是捏扁塞入筒中，然后靠密封圈彈性蹦入密封槽D2中，因密封圈外徑略大于D2，在受壓狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)變形同樣不一定能靠自身張力恢復(fù)，除非人為理順干預(yù)。軸插入裝有密封圈的筒中時，因為軸徑Dd大于密封圈內(nèi)徑，首先會對密封圈擴脹擠壓，如果引導(dǎo)不足，也很容易出現(xiàn)擠傷、切邊現(xiàn)象，前行的過程中，自然也存在摩擦力帶動密封圈向后翻轉(zhuǎn)的趨向，如果軸上有孔或槽，密封圈的內(nèi)壁材料也會有與Ⅰ型密封類似的咬傷隱患，當然，摩擦力也會牽引密封圈向軸、筒配合間隙擠入。至于螺紋連接，旋合時必然有周向摩擦力帶動密封圈附加拉伸出現(xiàn)壓量變化的因素，需要考慮Ⅱ型密封的密封圈鼓出配合或翻轉(zhuǎn)。
歸結(jié)起來，Ⅱ型密封與Ⅰ型密封的O形密封圈其受力、變形的效應(yīng)原理是相似的，只不過其著力點和牽引點有所區(qū)別：Ⅰ型密封在密封圈的外壁，Ⅱ型密封在密封圈的內(nèi)壁，其安裝損傷基本為扭轉(zhuǎn)變形、劃傷或擠傷兩種。
3 措施與方法
從O形密封圈的損傷機理分析可以看出，摩擦力是引起扭轉(zhuǎn)變形及扭轉(zhuǎn)變形保持的核心因素，但劃傷或擠傷除涉及摩擦力外，主要原因還在于缺乏引導(dǎo)、壓縮率設(shè)置過大、間隙、槽孔布局等零件的結(jié)構(gòu)性等因素，因此，解決密封圈的安裝損傷需從設(shè)計和裝配方法上著手。
3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）O形密封圈
①膠料選擇。密封圈應(yīng)采用低摩擦因數(shù)膠料，以降低與接觸零件間的摩擦力。
②截面直徑。為了防止翻轉(zhuǎn)，密封圈的截面直徑不宜過�。ㄍǔ＝孛嬷睆讲粦�(yīng)小于1.5mm，且與內(nèi)徑之比應(yīng)大于0.025），另外尺寸變化會直接反映到摩擦力上，所以截面直徑應(yīng)盡可能均勻（Z小可以要求到±0.08mm）。
③壓縮率。密封結(jié)構(gòu)的密封性是基于密封圈與密封面間的接觸壓力實現(xiàn)的。從密封的角度來說，密封圈壓縮率越大，工作壓力越大，但過大的壓縮率不但會增加摩擦力，而且有時也會讓裝配變得困難，密封圈的拉伸率一般在1.1以下，壓縮率控制在12%～35%之間比較適宜。相對而言，粗密封圈比細密封圈的壓縮率要小些。當然，由于不同牌號膠料的硬度、熱脹和耐寒系數(shù)不同，動、靜密封的工況不同，具體選擇上應(yīng)有所區(qū)別。
④分模面。因為活動密封圈的壓縮率小于固定密封圈（原因主要是動密封不僅要考慮密封問題，還要考慮運動時的順暢和密封?的磨損問題），密封能力比固定密封圈弱，而人工清理的分模面有不規(guī)則現(xiàn)象，其分模面與密封面貼合影響更大，所以活動密封圈采用45°分模面，而固定密封圈卻常選熱模制造比較簡單的180°分模面。雖然如此，若確認固定密封圈的分模面必須避開密封面，固定密封圈其實也可選擇45°分模面。
（2）配合零件
①粗糙度。配合零件的表面粗糙度直接影響O形密封圈的表面摩擦與磨損，一般來說，表面越光潔，摩擦與磨損越小，但表面過于光潔又不容易在零件表面維持油膜保證潤滑。實踐證明，對于O形密封圈密封結(jié)構(gòu)，滑動表面粗糙度不建議低于Ra0.1μm，合理值應(yīng)在Ra0.2～1.6μm之間。
②幾何精度。被密封零件自身存在幾何精度（包括圓度、圓柱度、同軸度等）及高壓下的脹大現(xiàn)象，這些都會引起O形密封圈壓量的不均和變化，所以在保證被密封零件剛度情況下，同一零件的圓度、圓柱度可以靠公差等級進行控制，相關(guān)面的同軸度應(yīng)限制在0.05mm以內(nèi)。
③配合間隙。配合間隙過小，會增加裝配難度，對于滑動副還會加重運動阻力；配合間隙過大，會增加裝配中或工作介質(zhì)壓力使膠料擠入的可能，同時滑動副的導(dǎo)向精度也會降低。理想的配合間隙在0.02～0.25mm之間，具體值取決于工作壓力及膠料硬度，總體而言，工作壓力越大則間隙越小，膠料偏硬比偏軟的間隙可以大些。其實，在O形密封圈工作壓力作用相反的一面設(shè)置氟塑料保護圈是一種解決間隙咬傷的簡單有效手段，針對活動密封的往復(fù)運動性，每個密封槽中可以使用2個保護圈。
④零件型面轉(zhuǎn)接。應(yīng)盡可能避免O形密封圈通過直棱面、臺階孔、不完整圓柱面等結(jié)構(gòu)，不能避免時，需做倒角、倒圓、帶倒角的環(huán)形凹槽等過渡處理，與O形密封圈安裝有關(guān)的尖邊必須倒鈍，以便對密封圈形成引導(dǎo)、防止擠傷和刮蹭。型面轉(zhuǎn)接的常見示例如圖3所示。
3.2裝配方法
（1）零件的檢查與清理
O形密封圈上的劃傷、缺肉、開裂等缺陷，嚴重時可直接導(dǎo)致泄漏，看似輕微的也可能在裝配過程中進一步加重，所以必須剔除。至于人工清理較難避免的分模面殘留毛邊或毛刺，主要以是否進入密封面及裝配中是否會引起密封圈翻轉(zhuǎn)來進行判斷，有影響的應(yīng)排除，無影響者可以留用。
與密封圈直接相關(guān)的保護圈、軸、筒等零件，其毛刺、機械損傷對密封圈的傷害Z大，軸和筒型面上的銹蝕、鍍層剝落等會影響到密封圈安裝時的摩擦力，檢查時需予以關(guān)注。
零件生產(chǎn)、檢驗及庫存環(huán)節(jié)難免會被污染，密封圈及保護圈、軸、筒等零件上的顆粒物、絲狀物等表面附著物進入密封面后會墊起密封圈或引起密封圈的壓量變化，所以裝配零件使用前必須先進行清洗，通常金屬件使用航空洗滌汽油，橡塑件使用無水乙醇。
（2）潤滑
潤滑是降低已制成零件摩擦力的Z直接手段，所以裝配時，密封圈及與密封圈相關(guān)的軸、筒等零件均應(yīng)涂抹潤滑劑，因為潤滑脂比液壓油潤滑效果好，故除有特殊要求，盡可能使用7014寬溫航空潤滑脂。膠料與油脂接觸后的溶脹效應(yīng)會增大密封圈的壓量，所以，對于非明確要求浸油的密封圈，潤滑后應(yīng)盡快裝配（停滯時間不宜超過4h）。
（3）校正
O形密封圈及與之相配的保護圈一次性裝配很難保證規(guī)整、不扭曲，因此校正環(huán)節(jié)必不可少。軸上的密封槽屬于開放空間，一般先套入保護圈并用收壓板或收壓套進行縮形、收圓，然后再套入密封圈并用扁狀挑針挑起理順；而筒內(nèi)的密封槽存在遮蔽，保護圈塞入后尺寸不會變大，密封圈存在扭轉(zhuǎn)的概率及扭轉(zhuǎn)量比軸上的要小，所以密封圈的校正工作可以結(jié)合保護圈的校圓進行，即在保護圈、密封圈安裝后，在確認沒有明顯扭曲的情況下，借助于帶有錐面引導(dǎo)的校正棒（為避免密封圈過度翻轉(zhuǎn)，使用前表面需潤滑）插入筒中反復(fù)推拉以使密封圈逐步恢復(fù)，是否已至正常狀態(tài)可以根據(jù)往返時阻力的均勻性來進行判斷。
（4）裝有密封圈零件的壓裝與擰入
即使完成初步裝配的密封圈表面完好且已校正，在進一步的裝配中仍可能出現(xiàn)損傷，因此裝有密封圈零件壓裝時應(yīng)緩慢，密切關(guān)注密封圈的變形及鼓出現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)重新找正再壓，如果仍無法解決，應(yīng)考慮增加引導(dǎo)；而裝有密封圈零件擰入時應(yīng)勻速，除需觀察密封圈是否鼓出外，亦應(yīng)感受驅(qū)動力的變化，一旦發(fā)現(xiàn)阻滯力明顯放大，應(yīng)回退1/3圈左右再試著擰入，以保證密封圈不會出現(xiàn)扭曲或“細脖子”現(xiàn)象。
對于組裝后的滑動副，以活塞組件為例，再推動活塞組合體相對襯套往復(fù)3～5次檢查一下靈活性不失為明智之舉。
（5）輔助工裝
用于密封圈理順的挑針、套于螺紋上防止螺紋劃傷密封圈的導(dǎo)套和保護圈校正的校正棒、收壓板、收壓套等都屬密封件安裝的常用工裝，除此之外，一些設(shè)計上因結(jié)構(gòu)受限而無法處理的槽或孔必須借助工裝來進行彌補，否則密封圈的損傷無法消解。圖4所示為圖5某活塞組件結(jié)構(gòu)的輔助工裝實例，從中可以看出，如果不使用導(dǎo)引環(huán)對襯套右端為了傳力板角向定位而銑掉的部分進行補形，在活塞壓入襯套時，必然會成為活塞上的密封圈在該位置鼓出的誘因，所以該活塞組件的傳力板、拉桿應(yīng)選在活塞壓入襯套之后安裝。同理，對閥套上不能開環(huán)形凹槽過渡處理的交叉孔，也可以使用工藝柱銷進行補形。
4 結(jié)論與建議
O形密封圈的安裝損傷涉及面較廣，首先在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上就應(yīng)予以考慮，密封圈安裝時的接觸部位需做倒鈍處理并有意設(shè)置引導(dǎo)面；其次零件加工上應(yīng)確保毛刺、尖邊清除干凈；Z后，產(chǎn)品裝配上主要應(yīng)注意零件清洗與?查、零件的潤滑、密封圈和保護圈的校正及裝有密封圈零件的壓裝與擰入的細節(jié)，輔助工裝上除常規(guī)的挑針、導(dǎo)套及保護圈的收壓夾具、校正棒等外，對于產(chǎn)品上受限而遺留的影響密封圈安裝質(zhì)量的槽或孔，一定要想辦法用工裝來彌補形成完整面，只有這樣，才能解決密封圈的安裝損傷問題。
