高壓高溫下O型圈破壞的三大原因

實驗表明，如密封裝置各部分設計合理，單純地提高壓力，并不會造成O形圈的破壞。在高壓、高溫的工作條件下，O形圈破壞的主要原因是O形圈材料的永久變形和O形圈被擠入密封間隙而引起的間隙咬傷，O形圈在運動時出現扭曲現象。
永久變形
由于O形圈密封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，會產生永久變形而逐漸喪失，最終發生泄漏。永久變形和彈力消失是O形圈失去密封性能的主要原因，以下是造成永久變形的主要原因。
1）壓縮率和拉伸量與永久變形的關系
2）溫度與O形圈馳張過程的關系
3）介質工作壓力與永久變形
O形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O形圈的永久變形作了規定。中國標準橡膠材料的O形圈在不同溫度下的尺寸變化見表。同一材料的O形圈，在同一溫度下，截面直徑大的O形圈壓縮永久變形率較低。 在油中的情況就不同了。由于此時O形圈不與氧氣接觸，般發生在動密封狀態。 O形圈如果裝配的妥善，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O形圈與溝槽的接觸面積大于在滑動表面上的摩擦接觸面積，而且O形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O形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。
扭曲損傷
引起扭曲損傷的原因很多，其中最主要的是由于活塞、活塞桿和缸筒的間隙不均勻、偏心過大、O形圈斷面直徑不均勻等造成，由于造成O形圈在一周多受的摩擦力不均勻，O形圈的某些部分摩擦過大，發生扭曲。通常，斷面尺寸較小的O形圈，容易產生摩擦不均勻。造成扭曲（運動用O形圈比固定用O形圈的斷面直徑大就是這個道理。） 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O形圈截面直徑不均勻等現象，可能使得O形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O形圈的壓縮量時，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O形密封圈沿圓周壓縮不均。此外還有由于O形圈截面直徑、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O形圈的一部分沿工件表面滑動，另一部分則發生滾動，從而造成O形圈的扭曲。運動使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O形圈具有可靠的密封性和壽命的重要因素。 安裝密封圈不應是它處于扭曲狀態。假如在安裝時就被扭曲，則扭曲損傷就會很快發生。在工作中，扭曲現象會將O形圈切斷，產生大量漏油，而且切斷的O形圈會混到液壓系統的其他部位，造成重大事故。
為了防止O形圈的扭曲損傷，在設計時應注意以下幾點
1）O形圈安裝溝槽的同心度大小，應從加工方便和不產生扭曲現象兩個方面來考慮。
2）O形圈斷面尺寸應均勻，并且在每次安裝時都應在密封部位充分涂抹潤滑油或潤滑脂。有時也可以采用浸透潤滑油的氈圈式加油裝置。
3）加大O形圈的截面直徑，動密封用O形密封圈的截面直徑一般應大于靜密封用O形圈；此外，O形圈應避免用作大直徑活塞的密封。
4）在低壓下也產生扭曲損傷時，可使用密封圈保護擋圈。
5）降低缸筒和活塞桿的表面粗糙度。
6）采用低摩擦系數的材料制作O形密封圈。
7）可用不易產生扭曲現象的密封圈代替O形圈。
磨粒磨損現象
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O形密封圈表面的磨粒，加速O形圈的磨損，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。
滑動表面對O形圈的影響
滑動表面的粗糙度是影響O形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-.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O形圈的壽命也有影響。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，O形圈的壽命也就越長。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。
摩擦力與O形圈的應用
在動密封裝置中，摩擦與磨損是O形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，O形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，O形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，O形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O形密封圈之間產生大量的摩擦熱。由于多數O形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O形圈實效，破壞其密封性能。摩擦還會引起O形圈表面損傷，使壓縮量減小。嚴重的摩擦會很快引起O形圈的表面損壞，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、焦耳熱效應 橡膠材料的焦耳熱效應，是指處于拉伸狀態的橡膠遇熱產生收縮的現象。在安裝O形圈時，為了使它在密封溝槽內不產生竄動，在用作往復運動密封時，不產生扭曲現象，一般使它處于某種程度的拉伸狀態。但如果將這種安裝方法用于旋轉運動，就會產生不良的結果。本來已經緊箍在旋轉軸上的O 形密封圈，因旋轉運動產生的摩擦熱而收縮，進而使這種緊箍力增大，這樣，產生摩擦熱→收縮→緊箍力增大→產生摩擦熱→……，如此反復循環，就大大地促進了橡膠的老化和磨損