液压缸活塞上的O形密封设计

　　0 引言

　　以丁腈橡胶或氯丁橡胶制成的 O 形密封圈（简称 O 形圈）是工程上最常用的密封元件之一。 其结构简单，密封性好，用作静密封时几乎可以做到没有泄漏，用于往复行程中密封性能不变，泄漏很小，只有在速度较高时才有泄漏，并且运动摩擦阻力也很小，因而广泛用于各类机械设备中。

　　活塞式液压缸是最常用的液压缸， 活塞侧面、缸筒内表面和端盖内表面构成密封容积腔，当压力油液从进油口供入时驱动负载而做功。 因而作为液压缸设计内容之一的缸筒与活塞之间的密封设计是保证液压缸性能的重要手段之一。 本文讨论液压缸的活塞上的 O 形圈的设计问题。

　　1 O形圈密封机理

　　O 形密封的设计包括 2 个方面：O 形圈的合理选择与密封沟槽的设计。 在设计之前，了解 O 形圈的密封机理是必要的。 为说明这个问题，把 O 形圈与平垫片作一比较。 图 1（a）是平垫片工作时的接触压力分布，压力分布是均匀的，如果介质内压 pi大于接触压力 p，则泄漏有可能发生，反之无泄漏。而 O 形圈的初始接触压力分布是不均匀的 （图 1（b）），工作时在内压 pi作用下，O 形圈沿压力方向移动，并改变截面形状，密封面上的接触压力也相应变化（图 1（c）），其最大值 pmax大于内压 pi，故不发生泄漏。这是 O 形圈作静密封的密封机理。这种借助介质本身压力而改变 O 形圈接触状态使之实现密封的过程，称为“自封作用”。 实践证明，这种自封作用对于防止泄漏是很有效的， 目前一个 O形圈可以封住高达 400 MPa 的静压而不发生泄漏。

　　O 形圈作往复运动密封件时， 其预密封效果和自封作用与静密封是一致的。 但由于杆件运动时，容易将油液带到杆件和 O 形圈之间， 情况比较复杂 图 2（a）为压力油液作用于 O 形圈一侧情况；若将 O 形圈与杆件部位放大(见图 2（b）)，其接触表面实际上是凹凸不平的，并非每一点都与杆件表面接触。 O 形圈左方作用着压力油液 p1，由于自封作用，O 形圈对杆件的接触压力 （应力）大于 p1而得到密封。 当杆件向右运动时，附着在杆件上的油液被带到楔隙（图 2（c））。 由于流体的动压效应，这部分油液的压力大于 p1，当它大于 O 形圈对杆件的接触压力时，油液便挤入 O 形圈的第一凹槽处（图 2（d）），杆件继续向右移动时， 油液又进入下一个凹处，依次向右推移，油液便沿杆件运动方向泄漏。 反之，杆件向左运动时，由于杆件与压力方向相反，故不易泄漏。

　　活塞与缸筒发生相对运动时，活塞上 O 形圈的动密封机理与前是一致的。