O形圈基础知识

作者 吴丹时间 2011.4.16

一、概述1.1 O形圈特点O形圈是一种小截面的圆环形密封元件，常用截面是圆形。主要材料为合成橡胶，在液压工程中是用的最多、最普遍的一种密封件，主要做静密封及滑动密 封用。与其他密封件比有如下特点： a.密封性好，寿命长。

e.体积小，重量轻，成本低。

b.单圈就可对两个方向起密封作用。 f.密封部位结构简单，拆装方便 c.对油液、温度和压力的适应性好。 g.既可做静密封也可做动密封。 d.动摩擦阻力小。 h.尺寸和沟槽已被标准化，选用和外购方便。

其缺点是，在做动密封启动时，摩擦阻力较大，约为动摩擦力的3~4倍， 在高压下易被挤入间隙。

1.2 表示方法1 GB/T3452.1-1982的表示方法内径d1× 线径d2 比如： 1)O形圈 20 × 2.4 GB3452.1-82 20 代表O形圈内径为20mm 2.4 代表O形圈的截面直径是2.4mm GB3452.1 代表的是标准号， 82 代表的是标准公布年代。

2)24002000 GB3452.1-822400 代表O形圈的截面直径是2.4mm 0200 代表O形圈内径为20mm

1.2 表示方法2 GB/T3452.1-2005的表示方法比如(1) O形圈 7.5×1.8G GB/T3452.1 , 7.5——内径 1.8——断面直径

G——系列

(G—通用O形圈 )(A—宇航用O形圈)

(2)A 0×0×7×5×G GB/T3452.1 A—O形圈线径1.80mm C—O形圈线径3.55mm E—O形圈线径7.30mm B—O形圈线径2.65mm D—O形圈线径5.30mm

二、O形圈密封工作状态2.1 静密封用O形圈的作用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。像这种借介质本身来 改变O形圈接触状态使之实现密封的过程，称为“自封作用”。

O形圈预密封

2.1 静密封用O形圈的作用用，O形圈与被密封光滑面和沟槽 底面紧密接触。这样当流体通过 间隙进入沟槽时只能对O形圈的一 侧面起作用。当流体压力较大P 3m ax P3 ma x

自密封作用：由于预密封作

P P

时，把O形圈推向沟槽另一侧面而挤压成D形，并把压力传递给接触 给接触面。

O形圈的自封是有限的，当内压过高时，会出现O形圈的“胶料挤出”现 象。即密封部位因有间隙存在，受高压作用的O形圈在间隙处会产生应力集 中，当应力达到O形圈的料胶不能承受时，料胶就会被挤出来，此时虽然O 形圈还能暂时维持密封，但实际已损坏。因此要严格选型。

P

P

2.2 动密封用O形圈的作用O形圈在动密封中，其预密封效果和自密封作用与静密封一样。但由于杆运动时 很容易将流体带到O形圈和杆之间，因此情况比较复杂。 工作中，假设O形圈左侧作用着介质压力P1(如图a),若将O

形圈与杆接触部 位放大(图b),其接触表面实际是凹凸不平的，并非每一点都与金属表面接触。由

于自封作用，O形圈对杆产生的接触压力大于P1而得到密封。但当杆开始向右移动时附着在杆上的介质被带到楔形狭缝(图c)。由于流体动压效应这部分介质的压力比 P1大。当它大于O形圈对杆的接触力时，介质便挤入O形圈的第一个凹槽处 (图d),杆继续向右移动时介质不断地进入下一个凹槽，介质便沿着杆运动的方向 泄露。当杆向左运动时，由于赶运动方向与杆压力方向相反，故不易泄露。泄漏量 是随着介质的粘度和杆的运动速度提高而增大的，还与O形圈的尺寸、工作压力等密 切相关。

往复运动中橡胶O形圈的泄露

a 压力作用于O形圈一侧

c 油被带到楔形狭缝

b 接触部位放大图

d 油被挤入O形圈第一凹槽

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2.3 O形圈的密封形式1 按密封件与被密封装置的相对运动状态可以分为：静密封、往复动密封、转动密封和开关密封。 2 按O形圈在矩形沟槽中压缩密封配合的压缩量大小(松紧程度)可分为：压紧、 套紧、液动、气动和转动5种基本密封配合，以及在端面倒角槽中挤紧密封配 合。此外还有滑动密封和浮动密封两种特殊密封方法。 3 按被密封件的结构可分为：端面密封即轴向密封、角密封(孔端面倒角槽密封、 轴端面倒角槽密封)、圆柱密封即径向密封(圆柱内径密封(活塞杆密封)、圆

柱外径密封(活塞密封))、圆锥面密封和球面密封。

三、O形圈的设计应用3.1 O形圈的使用参数3.1.1 压缩率压缩率W通常用下式表示：W=(d2-h)/d2 ×100% 式中d2 -----O型圈在自由状态下的截面直径(mm) h -----O型圈槽底与被密封表面的距离(沟槽深度),即O型圈压缩后 的截面高度(mm) 在选取O形圈的压缩率时,应从如下3方面考虑：

1.要有足够的密封接触面积；2.摩擦力尽量小； 3.尽量避免永久变形。

3.1.1 压缩率O型密封圈压缩率W的选择应考虑使用条件，静密封或动密封；静密封又可 分为径向密封与轴向密封；径向密封的泄漏间隙是径向间隙，轴向密封的泄漏间 隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于O形圈的内径还是外径又分受内压 和受外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低O形圈的初始拉伸。上述不同形 式的静密封，密封介质对O形圈的作用方向是不同的，所以预压力设计也不同。 对于动密封则要区分是往复运动密封还是旋转运动密封。

1.静密封：圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样，一般取W=10%~15%;平面静密封装置取W=15%~30%。 2.对于动密封而言，可以分为三种情况；往复运动一般取W=10%~15%。 旋转运动密封在

选取压缩率时必须要考虑焦耳热效应，一般来说，旋转运动用O 形圈的内径要比轴径大3%-5%,外径的压缩率W=3%-8%。低摩擦运动用O型 圈，为了减少摩擦阻力，一般均选取较小的压缩率，即W=5%-8%,此外，还要 考虑到介质和温度引起的橡胶材料膨胀。通常在给定的压缩变形之外，允许的最

大膨胀率为15%,超过这一范围说明材料选用不合适，应改用其他材料的O形圈，或对给定的压缩变形率予以修正。

3.1.2 拉伸量O型圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率一样，拉伸量 的大小对O型圈的密封性能和和使用寿命也有很大的影响。拉伸量大不但会导致

O型圈安装困难，同时也会因截面直径d2发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量a可用下式表示： α=(d+d2)/(d1+d2) 式中d-----轴径(mm);d1----O形圈内径(mm)。 拉伸量的取值范围为1%-5%。如表一给出了O型圈拉伸量的推荐值，可根 据轴径的大小，按表选限取O型圈的拉伸量。

表一 O型圈压缩率与拉伸量的限取范围密封形式 静密封 往复运动 旋转运动 密封介质 液压油 拉伸量α(%) 1.03~1.04 压缩率w(%) 15~25

空气液压油 空气 液压油

<1.011.02 <1.01 0.95~1

15~2512~17 12~17 3~8

3.2 O形圈的安装沟槽O形圈压缩量的大小主要由安装沟槽的结构和尺寸来保证。常用的沟槽形状 有矩形和三角形，一般情况三角形仅用于某些固定密封。由于压缩量不同所以静

密封、往复运动密封、选装运动密封的沟槽虽形状相似，但尺寸各不相同。

3.2.1 槽宽槽宽主要从下面三个方面考虑：

1)必须大于O形圈压缩变形后的最大直径。2)必须考虑到O形圈由于运动发热引起的膨胀和介质溶胀。 3)必须保证往复运动时槽内有一定的空间使O形圈滚动自如。一般认为，O形圈 的截面面积至少应占据矩形截面面积的85%,在许多场合下取槽宽为O形圈截 面直径的1.5倍。 注：沟槽太窄会增大运动时的摩擦阻力，O形圈磨损加大，易损；沟槽太宽使得 O形圈的游动范围增大，也易磨损，且在静密封的脉动压力下，O形圈也可能

产生脉动游动出现异常磨损。另外，当内压很高时必须用挡圈，槽宽应相应增大。

3.2 O形圈的安装沟槽3.2.2 槽深槽深是O形圈能否良好工作的关键尺寸，主要取决O形圈的压缩变形量。此变形量由O形圈内径处的压缩变形量(δ1)和O形圈外径处的压缩变形量(δ2) 组成，当δ1=δ2时 ，O形圈截面与槽截面中心重合，两种心愿的圆周相等，说 明O形圈安装时未受到拉伸；当δ1>δ2时 ，O形圈截面中心的周长小于沟槽中 心的周长，说明O形圈以拉伸状态在沟槽内；当δ1<δ2时，O形圈截面周长大 于

沟槽截面中心周长，此时O形圈以周向压缩来使用，拆卸时，O形圈会出现 弹跳现象。设计槽深时应首先确定O形圈的使用方式，然后再去选定合理的压缩 变形率(详见表一)。 除此之外，也要考虑材料对介质的溶胀性，材料本身的膨胀性等相关因 素，需考虑诸多设计因素。但国家对于沟槽的结构已经给出相关标准。

3.2 O形圈的安装沟槽3.2.3 沟槽的选择设计1.沟槽的安装形式

a 径向 活塞密封沟槽

b 径向 活塞杆密封沟槽

3.2.3 沟槽的选择设计1.沟槽的安装形式

c 径向 带挡圈的沟槽

d 轴向 沟槽

说明：1)一般情况，为防止O形圈被挤入间隙而损坏，当液体工作压力超过 10MPa时，固定密封当液体压力超过32MPa时，应加密封挡圈(如图c), 挡圈多少视O形圈受压情况而定。 2)轴向密封外部受压时注意加直径d8处凸台，以防止O形圈进入管路。

表二 O形圈径向沟槽尺寸O形圈截面直径d2 气动密封 沟槽 宽度 b+0.25 液压动密封 或静密封 b1+0.25 b2+0.25 液压动密封 沟槽 深度t 活塞杆密封， 气动动密封 (计算d3用) 静密封 液压动密封 活塞杆密封， 气动动密封 (计算d6用) 静密封 最小倒角长度Zmin 1.80 2.2 2.4 3.8 5.2 1.42 1.46 1.38 1.47 1.57 1.42 1.1 2.65 3.4 3.6 5.0 6.4 2.16 2.23 2.07 2.24 2.37 2.15 1.5 3.55 4.6 4.8 6.2 7.6 2.96 3.03 2.74 3.07 3.24 2.85 1.8 5.30 6.9 7.1 9.0 10.9 4.48 4.65 4.19 4.66 4.86 4.36 2.7 7.00 9.3 9.59.5 12.3 15.1 5.95 6.20 5.67 6.16 6.43 5.89 3.6

槽底圆角半径r1槽楞圆角半径r2

0.2-0.4

0.4-0.80.1-0.3

0.8-1.2

活塞杆密封沟槽槽底最大直径d3max=d4+2t,d4活塞杆直径

活塞杆密封沟槽槽底最小直径d6min=d5max+2t,d5max活塞杆最大直径

3.2.3 沟槽的选择设计1.沟槽的安装形式O形圈的沟槽尺寸系列，中国已制定有标准，详见表三。

表三 密封用沟槽尺寸及压缩量

3.2.3 沟槽的选择设计3. O形圈沟槽加工要求为避免划伤和安装不当等问题造成的泄露， O形圈在安装时对沟槽及相关

部件的精度都有一定要求。首先，安装时通过的尖叫需倒钝或修圆，通过的内孔应倒10~20°坡口。 其次，注意O形圈安装路径上的表面精度，轴须有较低的粗糙度值，必要时 需涂以润滑剂，对于安装沟槽及配合表面精度的要求详见表四。

表四 O形橡胶密封沟槽各配合偶件的表面光洁度

3.3 O形圈的材料选用O形圈材料选择主要考虑以下几点：

1)O形圈的工作状态 是指O形圈用于静密封、动密封还是滑动密封。2)机器的工作状态 指机器处于连续工作还是断续工作，并考虑倒每次断续 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 工作介质是气体还是液体，并考虑其物理和化学性能。 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冷热交替出现的温度。 6)价格与来源。 一般来说耐油用丁腈橡胶，耐天候和臭氧用氯丁橡胶，耐热用丙烯酸酯橡 胶或氟橡胶，耐高压、耐磨用聚氨酯橡胶，耐寒同时又耐油用共聚氯醇橡胶等。 各种胶料的适用范围详见表五。(其他见附件)

表五 O形圈密封材料使用规范材料丁腈橡胶 氯丁橡胶 丁基橡胶 丁苯橡胶 天然橡胶 硅橡胶 氯磺化聚乙烯 聚氨酯橡胶 氟橡胶 聚四氟乙烯

适用介质矿物油，汽油，苯 空气，水，氧 动、植物油，弱酸，碱 碱，动、植物油，空气，水 水，弱酸，弱碱 高、低温油，矿物油，动、 植物油，氧，弱酸，弱碱 高温油，氧，臭氧 水，油 热油，蒸汽，空气，无机酸， 卤素类溶剂 酸，碱，各种溶剂

使用温度/℃ 运动用80 80 80 80 60 -60~260 100 60 150

静止用-30~120 -40~120 -30~110 -30~100 -30~90 -60~260 -10~150 -30~80 -20~200 -100~260

备注

运动用应注意 永久变形大，不适用 矿物油 不适用矿物油 不适用矿物油 不适用蒸汽，运动部 位避免使用 运动部位避免使用 耐磨，但避免高速使 用

不适用运动部位