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O型圈裝配和使用不當,會加速其損壞,在壓力攻絲機的施工和裝配中失去密封性能。帶壓攻絲機破壞性試驗表明,如果密封裝置各部分設計合理,單純增加壓力不會造成O型圈損壞。
在高壓高溫工況下,O型圈失效的主要原因是,O型圈材料的永久變形和O型圈被擠入密封間隙,而產生的間隙咬入導致一級O型圈的變形。下面簡要分析一下O型圈的永久變形:
1.永久變形。
由于壓力攻絲機O型圈所用的合成橡膠材料屬于粘彈性材料,所以初凝壓縮量和回彈阻斷能力,在長期使用后會永久變形并逐漸喪失,導致壓力攻絲施工時介質泄漏。永久變形和彈力消失是O型圈密封性能喪失的主要原因。
1.1壓縮比與拉伸量和永久變形的關系。
制作O型圈所用的各種橡膠在壓縮狀態下,都會出現壓縮應力松弛現象,此時壓縮應力隨著時間的增加而減小。使用時間越長,壓縮比和拉伸量越大,橡膠本身應力松弛引起的應力降越大,導致O型圈彈性不足,密封能力喪失。
因此,建議在允許的使用條件下盡量降低壓縮比。增大O型圈的截面尺寸是降低壓縮比簡單的方法,但會帶來帶壓攻絲機內密封系統的結構尺寸變化。
當我們計算壓縮比時,我們往往忽略了裝配過程中,O形環拉伸引起的截面高度的降低。O型圈截面積的變化與周長的變化成反比。同時,在壓力攻絲機工作時,O型圈的截面形狀也會因拉力而發生變化,主要表現為其高度的降低。
另外,在表面張力的作用下,O型圈的外表面變得更平整,即截面高度略有降低,這也是O型圈壓縮應力松弛的表現。
壓力攻絲機O型圈橫截面的變形程度,也取決于O型圈材料的硬度。在拉伸量相同的情況下,高硬度O型圈的截面高度也大幅降低。
從這個角度來說,低硬度的材料應該盡量根據使用條件來選擇。在液壓油和鉆桿的壓力和張力作用下,橡膠材料制成的O型圈會逐漸塑性變形,其截面高度也會相應減小,導致密封能力的喪失。
1.2溫度與o型圈張馳過程的關系。
使用溫度是影響O型圈永久變形的另一個重要因素。高溫會加速橡膠材料的老化,工作溫度越高,O型圈的壓縮永久變形越大。當永久變形超過40%時,O型圈失去密封能力而泄漏。隨著O型圈的拉伸過程和溫度下降的影響,O型圈橡膠材料由于壓縮變形,而形成的初始應力值會逐漸減小和消失。
由于溫度的急劇下降,在零度以下工作的O形環的初始壓縮可能會減少或完全消失。在-50~-60的條件下,不耐低溫的橡膠材料會完全失去初始應力;即使橡膠材料耐低溫,此時的初應力也不會超過20時初應力的25%。這是因為O型圈的初始壓縮取決于線膨脹系數。因此,在選擇初始壓縮量時,需要確保應力因松弛過程和溫度下降,而下降后仍有足夠的密封能力。
當開口在零度,以下受壓工作時,應特別注意機體內O形環橡膠材料的恢復指數和變形指數。
綜上所述,在設計中,我們應該盡較大努力確保O型圈有一個合適的。