O型圈密封设计，第二部分：外压径向密封
海洋工程师的首要任务是防止海水进入船体。船体破损可能会毁掉美好的一天航行。
我们对 O 形圈密封设计的讨论始于对《海洋技术报告》2026 年 1/2 月刊第 20-23 页中“面密封”的考察。
那篇文章中包含一些重要的背景知识和基础知识，与本文同样相关，但本文并未全部赘述。简而言之：
- 对于O型圈密封设计而言，没有比Parker O型圈手册（ORD-5700）更好的参考资料了。该手册的PDF版本可免费下载（参见下文“参考文献”）。它是海洋工程师的必读之作，其内容远比任何文章都更加详尽。
- O型圈密封件可阻挡流体流动。O型圈密封组件由一个固定在凹槽内的O型圈组成。
- 装配润滑剂应始终少量使用。它们用于减少摩擦，使O型圈能够响应压力并在沟槽内移动。
- O型圈失效的主要原因是其从缝隙中挤出。
- 径向密封需要一定的间隙来辅助装配，而端面密封则不需要。
当以下情况发生时，可以选择径向密封：1) 端面密封和端盖固定螺栓的法兰面积有限，或 2) 作为主端面密封的辅助密封。 有时会使用两个径向密封件。第一个承受压力的密封件是主密封件。第二个承受压力的密封件，在主密封件失效时，则作为备用密封件。
O型圈拉伸：如果理想的凹槽尺寸介于两种O型圈尺寸之间，您可以将较小的O型圈拉伸以适应较大的凹槽。您可以将较小的O型圈拉伸至较大尺寸，但不能将较大的O型圈拉伸至较小尺寸。当O型圈在安装到凹槽中时被拉伸，其横截面会被压扁。拉伸超过2-3%时，必须减小凹槽深度以保持必要的挤压效果。派克建议O型圈的拉伸量不要超过5%，因为这会缩短其使用寿命。（参考：派克ORD 5700，第3.5节，“拉伸”）。
装配过程中为到达凹槽而进行的临时 ID 扩展通常不超过 25-50%。
硬度：硬度较高的O型圈抗挤压性能更好，硬度较低的O型圈对表面缺陷的容忍度更高。使用70硬度的O型圈搭配90硬度的支撑环，可以兼顾两者的优点。
外槽与内槽：塞子外径上的O型圈槽被称为“阳槽”。它们更容易加工、阳极氧化、清洁、组装和检查。配合端盖内侧的槽被称为“阴槽”。这种槽很少见。
设计方法
图 2 显示了径向密封的设计步骤：1）确定间隙，2）确定管内径，3）根据这两个数值计算塞子外径。（图片由派克密封公司提供，经作者改编用于本文。）
如图2所示：径向密封设计顺序为：
- 使用派克O型圈径向密封设计表（ORD 5700，第4.2节，设计表4-1）和挤压极限图（见图4），确定最大允许间隙。图表显示“径向”或“径向”，因此在将数值应用于“孔”（径向）或“间隙”（径向=½径向）时请注意。
- 确定从管内径去除的最小材料量，以形成圆形内孔。去除过多会削弱压力壳体的强度。
- 从孔径尺寸中减去（2 × 间隙）尺寸，即可得到塞子的外径。如果使用需要阳极氧化处理的铝材，则需调整尺寸以适应表面膨胀（参见下文“阳极氧化”部分）。
选择间隙：在设计配合塞和孔时，请使用 Parker 规范指定塞子外径和孔内径。（参考 Parker ORD 5700，设计表 4-1。）
这其中存在一些权衡取舍：
O型圈横截面越大，允许的间隙越大。
O型圈横截面越小，所需的压缩力越小，组装就越容易。
挑选较小的缝隙需要更精确的加工。
对于典型的截面为 0.070 英寸的 O 形圈，允许的直径间隙为 0.002 英寸至 0.005 英寸。这意味着一侧的最大径向间隙为 0.0025 英寸。
支撑环：我建议始终将支撑环与径向 O 形圈一起使用。支撑环价格低廉，占用空间小，其设计目的是防止 O 形圈挤出。（参见上文注释 4。）
将备用环放在O型圈的低压侧。O型圈首先承受压力。备用环的作用就像捕手的手套，为O型圈提供保护。
图 3. O 形圈的主要失效情况是挤压到缝隙中（左图）。由硬度更高的材料制成的支撑环（右图）起到防止挤压的作用。（图片由派克汉尼汾公司提供，经作者改编用于本文。）
如果需要拉伸 O 型圈以适应稍大的凹槽，我更喜欢使用 Parker Parbak 90 度硬度的丁腈橡胶 (Buna-N) 支撑环。我也很喜欢它们是一体成型的。而斜切的特氟龙支撑环不具备拉伸性，如果中心距过大，两端之间会留下不理想的缝隙。
当压力仅从一侧施加时（通常用于浸没式仪表），单个备用环即可满足要求。如果压力交替施加在 O 形环的两侧（例如在压力补偿系统中），则建议使用两个备用环，分别位于 O 形环的两侧。（参考：Parker ORD-5700，第 6 节）
Parbak零件编号以“8-”开头，后面跟着O型圈的三位数短横线编号。例如，2-018 O型圈将使用8-018 Parbak备用环。相当合理。
使用派克O型圈挤压极限曲线（ORD-5700，第3.1.4节，图3.2）来确认支撑环的有效性。（参见图4。）在低压密封中，该曲线指示的允许间隙比基本径向密封设计图表中的间隙更大。在高压应用中，该曲线指示添加Parbak支撑环是否能够使用标准目录中的沟槽尺寸或更优的尺寸。图表中的尺寸指的是“径向间隙”，因此“直径间隙”应乘以2。
图 4.“虽然 90 度硬度曲线是基于 O 型圈的数据，但它也可以作为备用环性能的有用指南。”（ORD-5700，第 3.1.4 节，图 3.2。）（图片和文字由 Parker Hannifin 提供。）
为了验证设计的各个方面，最好先制作一个原型进行压力测试。我的工程导师之一，弗兰克·斯诺德格拉斯博士，曾传授过一句至理名言：“大自然总是偏袒那些隐藏的缺陷。”
表面光洁度：一般而言，密封表面的表面粗糙度值不应超过 32 rms。（参见图 5。）此外，使用车床或点铣刀加工零件表面，形成与沟槽方向一致的圆形图案，也是一种良好的加工实践。该规格通常在工程图纸上用“C”形圆圈表示。使用立铣刀或铣床加工的零件可能会产生横切 O 形圈的微槽，这会造成问题，因为微槽会在宽度方向上对 O 形圈进行倒角。此类表面光洁度需要仔细检查。
图 5 描述了 O 形圈槽的推荐表面光洁度。如图所示，需要较光滑表面的主要密封面是顶部和底部。槽的正面和背面可以粗糙一些。槽的拔模角通常由加工人员决定，范围为 0-5°。我的车间通常使用 0°。（图片由 Parker Hannifin 提供，作者根据本文内容进行了修改。）
阳极氧化：铝阳极氧化是一种通过氧化表面材料而形成的陶瓷涂层。它会在表面层上形成指定厚度的一半。我通常标注厚度为 0.002 英寸，其中 0.001 英寸是向内延伸到基材，另外 0.001 英寸是向外延伸。这会改变成品零件的尺寸。当径向密封件的径向间隙非常小时，考虑这种变化至关重要。外径增加 0.002 英寸，内径减少 0.002 英寸，沟槽深度保持不变，因为底部和顶部沿同一方向向外延伸，沟槽变窄，而某些尺寸（例如管的外径和长度）会增大，但这并不重要。在将图纸交给机械加工人员之前，请调整图纸上相关的零件尺寸。
导入倒角：在活塞与缸孔之间设置 10-20 度的倒角，可以压缩 O 形圈，简化装配。倒角的外径略大于 O 形圈的外径。倒角的尖角应打磨平整，以去除可能意外损坏 O 形圈的锋利边缘。我还在活塞的前缘设置倒角，以便在装配过程中将塞子对准缸孔中心。同样，也应打磨尖角，以去除任何可能损坏缸孔密封表面的锋利边缘。此外，倒角还能带来更好的阳极氧化表面效果。
装配注意事项：对待开口的O型圈密封件应如同对待开放性伤口一样小心。保持密封件及其密封表面的清洁和轻拿轻放至关重要。
补充说明：
- 派克应用工程部门的人员可以审核您的项目，包括温度、压力、沟槽（密封圈）设计、螺栓扭矩、表面光洁度等。如有需要，他们还会提供其他设计方案。派克O型圈及工程密封件事业部位于美国肯塔基州列克星顿，电话：1-(859) 269-2351，传真：1-(859) 335-5128，网址： www.parkerorings.com 。
- 使用DeepSea Power & Light的免费软件“Under Pressure”可以帮助工程师确定最佳的压力壳体和端盖尺寸。它对于“假设”情景分析非常有用。该程序可从https://www.deepsea.com/under-pressure-design-software免费下载。
致谢
作者在此感谢斯克里普斯公司的机械师默特·英格拉姆，是他最早与我分享了20世纪60年代斯克里普斯公司早期制定的O型圈设计指南。我至今仍保留着这份ORD-5700手册中的相关记录。当需要严格的公差时，我们就会称之为“默特式配合”。
引用
派克汉尼汾公司，ORD-5700，50周年纪念版，2021年 https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf
弗利特尼，罗伯特，《印章和封印手册》，第六版，爱思唯尔出版社，2014年
“Lander Lab”是一个专注于海洋着陆器技术和策略的专栏，海洋着陆器是一种独特的无人水下航行器，专栏也介绍制造这些着陆器的人员。它旨在以类似《Make》杂志和其他DIY社区的方式服务于全球海洋着陆器社群。
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