如何限定O型圈的压缩率与拉伸率？

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一、压缩率的定义

压缩率是指O形圈被压缩后（工作状态下）的截面高度变化量与其原始截面直径的百分比。其计算公式为：

• C：压缩率 （%） 
• d0：自由状态下O形圈的截面直径（mm）
• h：装配后（压缩状态下）O形圈的截面高度（mm），通常等于密封沟槽的深度（T）。

压缩率衡量了O形圈被压扁了多少。例如一个截面直径为3mm的O形圈安装到深度为2.4mm的沟槽中，其压缩率就是 (3 – 2.4) / 3 * 100% = 20%。

二、 压缩率为何重要？

压缩率直接决定了O形圈在接触面上产生的初始接触应力σ0。这个初始接触应力是实现密封的重要因素。

1. 形成初始密封：
   
   在系统无压力或压力很低时，完全依靠压缩变形产生的反弹力来堵塞泄漏通道实现密封。
2. 实现自紧密封：
   
   当系统压力（p）升高时，压力会作用在O形圈上，将其推向沟槽的另一侧，并进一步变形。根据帕斯卡原理，此时的工作接触应力 σp 会近似等于初始接触应力σ0+ 流体压力 (p)，这意味着密封压力越高，O形圈压得越紧密封效果越好，这就是“自密封”效应。

3. 压缩率的选择原则：

    压缩率的选择需要在“密封可靠性”和“使用寿命”之间取得平衡。

• 压缩率过大：
  • 永久变形增大：材料应力松弛，失去弹性，无法回弹，导致泄漏。
• • 摩擦阻力增大：对运动密封而言，会导致启动困难、爬行、发热和功率损失。
• • 磨损加剧：缩短密封件寿命。
• • 安装困难：容易发生扭曲、剪切损坏。
• • 优点：初始密封性好。
• • 缺点：
    • 永久变形增大：
      
      材料应力松弛，失去弹性，无法回弹，导致泄漏。
    • 摩擦阻力增大：
      
      对运动密封而言，会导致启动困难、爬行、发热和功率损失。
    • 磨损加剧：
      
      缩短密封件寿命。
    • 安装困难：容易发生扭曲、剪切损坏。
• 压缩率过小：
  • 密封失效：
    
    初始接触应力不足，无法有效密封，尤其在低压工况下。
  • 无法补偿偏差：
    
    难以弥补零件加工误差（如尺寸公差、表面粗糙度、偏心）和振动带来的间隙，易发生泄漏。
• • 优点：摩擦小，磨损轻。
• • 缺点：
    
    密封失效：初始接触应力不足，无法有效密封，尤其在低压工况下。
    无法补偿偏差：难以弥补零件加工误差（如尺寸公差、表面粗糙度、偏心）和振动带来的间隙，易发生泄漏。

四、推荐压缩率范围

其他影响因素：

• 材料硬度：
  
  材料越硬，所需的压缩率可以适当减小（因为材料抗挤出能力强）；
  材料越软，所需的压缩率通常要大一些（以确保足够的接触应力）。
• 截面尺寸：
  
  大截面O形圈的压缩率范围通常比小截面O形圈小。例如，截面直径1.8mm的O形圈压缩率为20.0~31.9%，而截面直径7.00mm的O形圈压缩率为15.0~20.0%，这是因为大截面尺寸的绝对变形量更大。
• 介质和温度：
  
  在高温下材料更容易发生永久变形（压缩永久变形），因此需要选择更大的初始压缩率来补偿未来的应力松弛。对于全氟醚（FFKM）等特殊材料，高温下强度低，热膨胀系数大，压缩率需限制在13%~15%。

五、拉伸率

在安装O形圈时，尤其是径向密封经常需要拉伸以套入轴或活塞。拉伸率也是一个需要严格控制的关键参数。

• 定义：拉伸率 = (安装后内径 – 自由状态下内径)/自由状态下内径 
• 影响:
  
  拉伸会导致O形圈截面直径d0减小降低实际的压缩率。过度拉伸还会加速老化降低强度。
• 要求:
  
  O形圈的初始拉伸量不应超过3%。

六、实际应用与案例分析

160t液压机泄漏的案例为例：

• 问题：
  
  液压缸泄漏，O形圈未扭曲断裂，但压缩率仅有7.3%。
• 分析：
  
  远低于往复动密封推荐的10%~20% 下限，导致初始接触应力不足，无法密封20MPa的油压。
• 解决方案:
  
  通过修改沟槽尺寸，将压缩率提高到19.0%,同时校验拉伸率为0.9%，小于2%的要求，泄漏问题得到解决。