杨忠敏
摘 要：现代机械工业对密封件提出了越来越高的要求(如体积小、耐高温/高压、有出的物理/化学性能等)，密封性能是评价机械车辆质量的一个重要指标。O型密封圈密封是机械车辆静密封的一种重要形式，机械车辆上使用的O型密封圈有100～400个，这些O型密封圈广泛用于发动机及底盘等各大总成以及泵、阀等小总成，起到密封机械车辆内部的液体和气体并防止外界雨水和灰尘侵入的作用。材料的性能直接影响密封圈的使用性能，密封圈材料的选择对其密封性能和使用寿命有着重要意义，因此，值得业内重视。
关键词：车用橡胶 密封圈 性能特点 应用方法
1 引言
众所周知，由于密封介质，密封结构，密封压力，密封部位温度，密封轴或沟槽等对偶面的材质、光洁度和平整度的不同，O型密封圈的结构设计和所用材料也各不相同。各类橡胶O型密封圈在工作时需要承受高温、低温、压力和各种腐蚀介质的作用，这对橡胶材料和密封结构都是严峻考验。在机械车辆的使用过程中，常常遇到因O型形密封圈失效而造成的“漏气”、“漏水”、“漏油”等三漏问题，严重时会导致制
动失效，转向卡死，燃油泄漏、燃烧等重大安全问题，严重影响车辆的正常使用和司乘人员的生命财产安全。因此，必须对橡胶O型密封圈的质量予以高度重视。
2 车用橡胶O型形密封圈的性能特点及密封原理
车用橡胶O型密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。在液压转动、气动元件与系统中，往复运动密封是一种最常见的密封要求。动力缸活塞与缸体、活塞干预缸盖以及各类滑阀上都用到往复运动密封。缝隙由圆柱杆与圆柱孔形成，杆在圆柱孔内轴向运动。密封作用限制流体的轴向泄漏。用作往复运动密封时，橡胶O型密封圈的预密封效果和自密封作用与静密封一样，并且由于橡胶O型密封圈自身的弹力，而具有磨损后自动补偿的能力。但由于液体介质密封时，由于杆运动速度、液体的压力、粘度的作用，情况比静密封复杂。当液体在压力作用下，液体分子与金属表面互相作用，油液中所含的 极性分子在金属表面上紧密而整齐的排列，沿滑移面与密封件间形成一个强固的边界层油膜，并且对滑移面产生极大的附着力。该液体薄膜始终存在于密封件与往复运动面之间，它亦起一定的密封作用，并且对运动密封面的润滑是非常重要的。但是对泄漏来讲是有害的。但往复运动的轴向外拖出时，轴上的液体薄膜便与轴一起拉出，由于密封件的擦拭作用，当往复运动的轴缩回时，该液体薄膜便被密封元件阻留在外面。随着往复运动行程次数增多，阻留在外面的液体就越多，最后形成油滴，这就是往复运动式密封装置的泄漏。由于液压油的粘度随着
温度的升高而降低，油膜厚度相应减小，所以液压设备在低温下启动时，运动开始时的泄漏较大，随着运动
过程中因各种损失引起温度升高，泄漏量有逐渐降低的趋势。
车用橡胶O型密封圈是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种密封件。它主要用于静密封和往复运动密封。其使用速度范围一般为0.005～0.3m/s。用于旋转运动密封时，仅限于低速回转密封装置。工作压力可从1.33×105P a 的真空到400M P a高压；温度范围可从-60℃到200℃。车用橡胶O型密封圈内径、截面直径尺寸及公差G B/T3452.1---1992，车用橡胶O型密封圈与其他形式密封圈比较，具有以下优点：结构小巧，装拆方便；静、动密封均可使用；动摩擦阻力比较小；使用单件O型密封圈，可对两个方向起密封作用；价格低廉。但是，当设备闲置时间过久而再次起动时，O型密封圈的摩擦阻力会因其与密封副耦合面的粘附而陡增，并出现蠕动现象。
3 车用橡胶O型密封圈的常见渗漏问题及其原因分析
在动密封装置中，摩擦与磨损是O型密封圈损坏的重要影响因素。磨损程度主要取决于摩擦力的大小。当液体压力微小时，O型密封圈摩擦力的大小取决于它的预压缩量。当工作液体承受压力时，摩擦力随之工作压力的增加而增大。在工作压力小于20MPa的情况下，近似地呈线形关系。压力大于20MPa时，随着压力的增加，O型密封圈与金属表面接触面积的增加也逐渐缓慢，摩擦力的增加也相
应缓慢。在正常情况下，O型密封圈的使用寿命随着液体压力的升高将会近似的呈平方关系而减小。摩擦力的增加，使得旋转或往复运动的轴与O型密封圈之间产生大量的摩擦热。由于多数O型密封圈都是用橡胶制成的，导热性极差。因此，摩擦热就会引起橡胶的老化，导致O型密封圈失效，破坏其密封性能。摩擦还会引起O型密封圈表面损伤，使压缩量减小。
在解决密封渗漏问题时，一般是换上相同型号的密封件五，或采用适当增加油封唇部过盈量的方法来提高密封性能。我们知道：造成油封渗漏的因素是多方面的，包括油封材料、油封形状、油封尺寸精度，与油封相匹配的轴的材料、直径、尺寸精度、表面粗糙度、偏心度、运动方式、运动速度、润滑油的品质、工作环境等，并不是油封单方面的因素所产生的。固然，适度增加密封圈对轴的接触压力，其中包括增加油封唇部过盈量确实在一定程度上可以起到提高密封性能的作用，防止润滑油渗漏。但是，油封对轴的接触压力的大小及其在轴上的分布是有严格规范的。如果接触压力过大或分布不均匀，将使密封橡胶材料(或局部)加速老化，过早疲劳损坏，从而导致润滑介质的泄漏。常见O型密封圈的渗漏原因主要有以下方面。
在进行密封垫片设计与选材时，对密封结构、发动机工况、密封垫片与密封介质的相容性及材质对温度、压力、介质的抗耐性等考虑欠周，导致密封垫片的材质或规格尺寸与柴油发动机的实际工况不符。这样就会发生因垫片老化、蠕变、裂纹、溶解、滞油、毛细、密封途径短等引起的渗漏。例如，油底盘垫片材料若用橡胶软木，自身抗拉强度低，约2.7M P a，蠕变大，且软木块与橡胶结合不牢，
软木之间易产生相对滑动等缺点，经常发生垫片破损或吸油渗油的现象。选用新型密封衬垫板后基本解决了油底盘的渗漏问题。
机械密封存在设计、选择、安装等不合理的地方引起的机械密封渗漏。应对措施：弹簧压缩量误差应在-2～2m m之间，过大则增加端面比压，摩擦热量过多，易造成密封面热变形和加速端面磨损，过小则动、静环端面比压不足，不能密封；安装动环密封圈的密封压盖（或壳体）的端面应倒角并修光，以免装配时碰伤动、静环密封圈。
4 车用橡胶O型密封圈渗漏的结构优化方案
车用橡胶O型密封圈渗漏的解决方法如下。
4.1 合理选用密封垫。
垫片表面平整光洁，无起泡、分层、杂质等影响密封的缺陷。渗漏主要表现为密封间隙
发动机密封中的流体流动，其间隙形状近似矩形，根据流体力学计算矩形缝隙渗漏量的公式可以看出，泄露量与矩形缝隙的长、宽、高、介质内外压差、介质粘度等多种因素有关，垫片表面的光洁度差，起泡、分层、杂质等缺陷会使垫片与金属密封面之间产生渗漏间隙或使缝隙的宽和高增大，长度减小，从而增大了泄漏机会和渗露量。
4.2 要有良好的耐介质性。
柴油发动机密封件接触的介质复杂，如润滑油、柴油、水、水蒸气、燃气空气混合气等，要求密封材料具有综合的耐介质性，所以设计密封材料应考虑选用极性耐油橡胶，如氟橡胶、高丙烯腈含量的胶等；采用树脂硫化来提高硫化胶的极性，从而提高耐油性，如酚醛树脂、聚氯乙烯与胶并用。同时要确保密封材料达到一定硫化程度；填充料的粒子结构选用大、中、小结合的方式，以减小材料的微间隙；工艺操作时尽量提高材料的密实性。
4.3 要有较好的压缩回弹性。
柴油发动机的密封部位较多，且各密封面的加工精度、密封面积差别较大，所以要求垫片材料有较大的压缩率和回弹率，这样对密封面的吻合能力和吸收能力高，能填补密封面的粗糙不平和平面翘曲。柴油机的静密封回弹率不小于45%较合适。
4.4 要有小压缩应力松驰性。
采用压缩应力松驰（C S R）试验对汽车工业用密封件和密封垫圈弹性体进行可靠性及长寿命性筛选的方法已经逐渐被接受。应力松驰现象是橡胶样品在一定应变下（拉伸或压缩模式）产生的，保持应变所必须的力是不定的，随时间而下降。压缩模式下固定应变，密封接触力随时间下降。橡胶基体中发
生的这种变化本质上是物理和化学过程。由于形变，分子链和填料产生瞬时物理松驰，分子链的移动和分子链缠结部分的移动的全过程可逆地将应变从体系中转移。之后，由于缺氧（热降解）或者氧的加入（氧化降解）造成的分子链断裂反应和聚合物相对分子质量的下降的化学过程发生，该化学松驰部分是完全不可逆的。
4.5 结构优化。
考虑到密封件的位置、材料以及工作条件，只要改变弹性材料的等级即可解决密封问题。但是，对于新的发动机，必须对以下两个方面进行优化：密封结构、密封位置。
5 车用橡胶O型密封圈的材料选材
材料的性能直接影响着O型密封圈的使用性能。富有弹性和回弹性；适当的机械强度，包括抗张强度、伸长率和抗撕裂强度等；性能稳定，在介质中不易溶胀，热收缩效应小（焦耳效应）；易加工成型，并能保持精密的尺寸；不腐蚀接触面，不污染介质等。满足上述要求的最合适而且最常用的材料是橡胶，所以O 型密封圈大多用橡胶材料制成。
橡胶的硬度，一般机械用的车用橡胶O形密封圈，硬度应在70～90度之间。作为静密封用的O型密封圈，通常材料硬度为邵氏硬度70度，比动密封要硬。常用的油封橡胶材料制造油封常用的材料有橡胶、聚四氟乙烯等。橡胶有橡胶、丙烯酸酯橡胶和氟橡胶等。
橡胶是传统的油封材料，具有优良的耐燃料油及芳香溶剂等性能，是通用橡胶密封制品中用量最大的弹性体，但是橡胶在含有极压添加剂的高温介质中稳定性较差。丙烯酸酯橡胶具有耐热矿物油、润滑油，特别是在高温下有较好的耐油稳定性和较好的弹性。
氟橡胶是制造高档油封的最佳材料，它具有优异的耐热性(200℃～250℃)，耐油性，可显著提高油封的使用寿命，但是其在金属轴无润滑情况下生热大，干磨耗性能较差。
我国的橡胶油封制造业与国外先进水平相比，尚有很大的差距。具体表现在以下方面： 虽然我国已制定油封结构、材料、检测等一系列国家标准，但和国外相比还不完善。企业大部分都仅仅是根据国家或行业标准进行橡胶油封的设计与开发，没有形成自己的系列产品。
橡胶O型密封圈也称橡胶油封，橡胶O型密封圈是机械车辆发动机与底盘的重要部件，其质量直接影响发动机的启动与运转以及机械车
辆的正常运行。橡胶O型密封圈功能是防止润滑油泄漏和阻止异物侵入机器内部，现已作为标准件来供应。
6 车用橡胶O型密封圈的设计要点
车用橡胶O型圈设计、使用不当会加速它的损坏，丧失密封性能。实验表明，如密封装置各部分设计
合理，单纯地提高压力，并不会造成O型密封圈的破坏。在高压、高温的工作条件下，O型密封圈破坏的主要原因是，O形密封圈材料的永久变形和O型密封圈被挤入密封间隙而引起的间隙咬伤，以及O型密封圈在运动时出现扭曲现象。
O型密封圈良好的密封效果很大程度上取决于O型密封圈尺寸与沟槽尺寸匹配的正确性，世界各国的标准对此都有较严格的规定。密封装置设计时若O型密封圈的压缩量选择过小，或加工沟槽时公差波动使压缩量趋小，装配后就会引起泄漏；如果压缩量选择过大，或加工沟槽时公差波动使压缩量趋大，则会导致O形密封圈橡胶应力松弛而形成泄漏。
由于O型密封圈用的合成橡胶材料是属于粘弹性材料，所以初期设定的压紧量和回弹堵塞能力经长时间的使用，会产生永久变形而逐渐丧失，最终发生泄漏。永久变形和弹力消失是O形密封圈失去密封性能的主要原因，以下是造成永久变形的主要原因。
在选取O型密封圈的压缩率时，应从如下方面考虑：要有足够的密封接触面积；摩擦力尽量小；尽量避免永久变形。从以上因素不难发现，它们之间存在着矛盾。压缩率大就可获得大的接触压力，但会增大滑动摩擦力和永久变形。而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O型密封圈误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此在选择O形密封圈压缩率时要权衡各种因素。一般静密封压缩率大于动密封，其极值应小于25%，否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。
压缩率和拉伸量与永久变形的关系：制作O型密封圈所用的各种配方的橡胶，在压缩状态下都会产生压缩应力松弛现象，此时，压缩应力随着时间的增长而减小。使用时间越长、压缩率和拉伸量越大，则由橡胶应力松弛而产生的应力下降就越大，以致O型密封圈弹性不足，失去密封能力。因此，在允许的使用条件下，设法降低压缩率是可取的。增加O型密封圈的截面尺寸是降低压缩率最简单的方法，不过这会带来结构尺寸的增加。
应该注意，人们在计算压缩率时，往往忽略了O型密封圈在装配时受拉伸而引起的截面高度的减小。O型密封圈截面面积的变化是与其周长的变化成反比的。同时，由于拉力的作用，O型密封圈的截面形状也会发生变化，就表现为其高度的减小。此外，在表面张力作用下，O型密封圈的外表面变得更平了，即截面高度略有减小。这也是O型密封圈压缩应力松弛的一种表现。
7 结论
总之，车用橡胶O型圈的密封本身是一种要求较高的精密部件。在使用时，应分析各种因素，使之密封适用于各种机械的技术要求和使用介质要求，这样才能保证机械车辆长期可靠地运转。
参考文献
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