真空系统设计（0型密封圈密封的设计计算）

真空系统是指由真空泵、真空计及各种零件通过管道以适当的方式联接，组合成能达到一定真空度要求的装置。真空系统的基本要求是都有哪些？

3.3.2.3 0型密封圈密封的设计计算

在真空可拆卸密封连接中所使用的橡胶密封圈主要有两种断面形状:圆形和矩形(其他还有锥形、碗形等)，其中圆形截面的橡胶密封圈应用最广泛。圆形截面橡胶密封圈又称0型密封圈，是最常用的一种密封圈。其密封特点是在相同压缩比时，与矩形截面垫圈相比较密封宽度小;若密封宽度相同时压缩比大且可实现锥形密封:不足之处是0型密封圈制造较困难，而且密封时易产生气穴。

应用密封圈进行真空密封，主要是靠连接件压缩密封圈，使其产生弹性变形以堵塞或减小泄漏缝院，达到真空密封的目的。设计真空密封时，必须正确地选择施加到橡胶圈上的压力(称为密封力)。该压力不但与密封表面状况、密封材料的成分、硬度及压缩比有关，而且也和橡胶圈受压时侧面是否受到约束有关。如果从理论上找出这些关系是十分困难的。根据实验，把各种不同线径(橡胶圈圆形断面直径)、不同圈径(橡胶圈中径)和不同硬度的橡胶圈， 放在平面法兰和带密封槽法兰的矩形槽之间进行压缩，测得实验数据，然后根据这些实验数据进行密封力的计算。

为了保证高真空的密封性能，在设计真空密封时，必须正确地选择施加到橡胶圈单位面积上的压力(称比压力)。该压力不但与密封表面状况、密封材料的成分、硬度及压缩比有关，而且也和橡胶受压时侧面是否受到限制有关。如果从理论上找出这些关系是比较困难的。但是根据实验，把各种不同线径( 橡胶圈圆形断面直径)、不同圈径(橡胶圈中径)和不同硬度0型密封圈，放在平面法兰和法兰的矩形槽之间压缩到需要的压缩比，这时，在最坏情况下，其比压力约为1.27MPa左右。

A压缩比的选择

橡胶密时圈的压缩比是指橡胶圈压缩前后的高度差和压缩前的高度之比。采用橡胶作为密封材料时，总是希望橡胶材料的表面在真空中暴露得越少越好。因此除了使其圈径在满足结构要求的条件下尽量小之外，对橡胶选择适当的压缩比也是很重要的。如以K和K,分别表示矩形和圆形断面橡胶密封圈的压缩比，则有:

式中，ho、h、do、d分别为矩形和圆形橡胶圈压缩前与压缩后的高度。

橡胶圈压缩比的大小，直接影响着密封性能。根据S.考贝亚胥和H.亚达的对通径72mm、截面直径(或高度) 4mm的各种橡胶密封圈所做的渗漏实验所得的实验结果表明，当橡胶密封圈的硬度在邵氏硬度50以上，而且表面没有任何径向擦伤时，橡胶密封圈的高度压缩比为15%以上就可以达到漏气率小于1.3×10-10Pa. m’/s的密封性能。这个漏气率，对于一个容积为4L的容器，如果允许压强从1.3×10-2Pa升高到1.3×10-‘Pa, 则可以保持1000h, 即40多天，这对普通真空系统的使用是足够的。因此把压缩比15%定为真空橡胶密封的最小压缩比，是较适宜的。

压缩量与橡胶硬度的关系如图3-52所示。

图3-52橡胶圈压缩 量与硬度的关系

1-真空密时必须的压缩量: 2一压缩量的许用值:

3-根据美国ASTM 395- 49T 标准试验的收缩比的最大压缩量

一般情况下，可用图中曲线2为标准来确定橡胶圈的压缩量。目前在国外，日本对橡胶圈公称直径在12 – 40mm时，采用的压缩比是25%，通径450 ~ 1000mm时则采用30%。俄罗斯的压缩比选择在20% -25%之间，25%用于矩形，20%用于圆形和较大尺寸的矩形。英国的压缩比选在12.5% ~42%之间，而以25% 为最多，用于矩形时尺寸小的选用42%，大尺寸选用12.5%。 瑞士和德国均采用40%。

我国有关单位所选用的压缩比多为25%，有的单位在矩形断面上采用25%，而在圆形断面上则采用20%。根据公称直径大小的不同，国内有人推荐公称直径在10 ~ 300mm时压缩比可选用25%;在350 ~ 000mm时，可采用30%。

B 0型密封團的密封接触面宽度B

自由0型密封圈是指0型密封圈在两个平面法兰之间被压缩后不受其他条件限制，0型密封圈受压后可以自由地向两侧伸展。

在0型密封圈设计中要涉及到不同的线径和不同的硬度，如采用绝对尺寸和绝对压力的概念会使问题过于复杂，因此在0型密封圈密封的设计计算时可采用相对尺和相对压力的概念。 因为0型密封圈受压后可以自由地向两侧伸展，令B，、x.分别为0型密封圈相对宽度(宽度系数)与相对高度(高度系数),即: B. = B/d:X。X/d。 0型密封圈压缩后的相对宽度B,和相对高度 X,的试验关系曲线如图3-53所示。

图3-53接触面压缩后密封的相对宽度 B,与相对高度Xx的关系曲线

由图3-53可见:当0.7< Xx <0.95时，Bx与Xx的关系曲线近似直线关系，因此用最小二乘法可得:

式中，B.为0型密封圈压缩后的相对宽度系数，Bx = B/d; Xx为0型密封圈压缩后的相对高度系数，Xx=x/d; X为0型密封圈压缩后的高度;d为0型密封圈的截面直径。

所以，0型密封圈压缩后的实际接触面B可用下式近似计算:

式中，d为0型密封圈截面直径;其余各符号意义同前。

C 0型密封圈压缩到一定高度时所需要的密封力F

为了找出0型密封圈的压缩密封力F与压缩时的残余高度Xx之间的关系，可用拉力机和位移测量器对各种不同线径、不同圈径和不同杨氏模量的0型密封圈进行测量，并把测量的结果用压缩密封力系数(相对密封力) Fx = F/dEL(L = πD)和相对残余高度Xx= X/d表示，这时可得到如图3-54所示的曲线。

压缩密封力系数F是相对高度系数X,的函数，其数值由图3-54可查得，因此，密封力F(N)为:

式中，Fx为压缩密封力系数，是相对高度系数Xx的函数，其数值由图3-54查得; d为0型密封圈的截面直径，m; L为0型密封圈平均周长，L =πD, m; D为0型密封圈内径，m; E为与橡胶硬度有关的弹性模量，MPa, 与橡胶硬度的关系见图3-55。

图3-54相对密封力Fx 与Xx的关系

图3-55 弹性模量 E与橡胶硬度的关系

D 0型密封圈压缩到一定高度时所承受的比压力σs

0型密封圈在密封力F作用下，与法兰相接触的单位面积上所受的压力即比压力σs，可用下式确定:

式中，B为橡胶与法兰的接触宽度; L为0型密封圈平均周长。

因为Fx与Bx都是Xx的函数，因此σx也是Xx的函数。国产真空耐油橡胶圈在两个法兰平面间被压缩时所测得的相对比压力σx与相对高度系数Xx的关系曲线如图3-56所示。对自由0型密封圈，可以发现σx随Xx变化的值相当近似于0.5Bx值，故当0.7< Xx <0.95时可近似用下式计算:

图3-56相对比压力σx， 与相对高度系数Xx的关系曲线

(国产真空耐油橡胶圈压缩所测)

国内外有关的实验表明，保证橡胶密封良好的比压力一般均选在0. 5-1. SMPa的范围内。经验证明，对于普通橡胶， 压力取1.3MPa为宜。

E 0型密封圈的最小截面直径dmin

在设计0型密封圈截面直径尺寸时，除了考虑0型密封圈截面直径的公差外，还必须考虑因0型密封圈的伸展引起的截面直径变化。由于橡胶体积是不变的，故0型密封圈直径增加必然会引起其截而直径减小，例如0型密封圈直径增大10%，其截面直径就会减小5%，因此，考虑0型密封圈直径和截面直径的变化甚至要比考虑公差更为重要。根据制造公差所确定的最小截面直径dmin应为0型密封圈截面公称直径尺寸d及其下偏差△之差，即dmin=d-△。

若从0型密封圈直径伸展增大时，橡胶变形前后的体积不变考虑，则:

式中，D为自由状态下的0型密封圈内径; D’为矩形密封槽内径(O型密封圈伸展后的内径);d”为0型密封圈直径伸展后的截面直径。

如果同时考虑上述两个因素，既考虑截面直径公差，又考虑0型密封圈直径的伸展，则0型密封圈的最小直径可用下式求得:

式中，d为0型密封圈截面公称直径; △为0型密封圈截面公称直径d的尺寸公差下偏差; D为自由状态下的0型密封圈内径; D’为矩形密封槽内径(0型密封圈伸展后的内径)。