1、结构简介

在大型工程机械上，Y型密封圈常常用于液压油缸或气动缸，仅起单向密封作用，其产品结构设有内唇A和外唇B(见图1)为获得较佳初始密封效果，工程技术人员设计产品时应在其内、外唇口留有一定的过盈量(见图2)。装入工作沟槽后，密封圈两唇口仅与滑动表面、沟槽径部接触，产生一定量的预应力，起到密封作用(见图3)。工作时，在液压力作用下密封唇口在其圆周方向产生变形，完全贴合在活塞杆表面和缸体配合表面，起密封作用。

 

图1 产品示意结构

图2 装配前的过盈量

图3 装配后接触压力分布

　　2、结构设计

Y型密封圈的设计与其工作压力相关，设计参数随工作压力的不同需作相应调整。Y型密封圈设计参数主要包括，唇口过盈量、唇口厚度a，外唇与缸体或内唇与活塞杆夹角A、根部尺寸、以及内外两唇夹角B(见图4)。

图4 产品断面结构图

　　2.1 唇口尺寸的优化

Y型密封圈安装之后，其唇口密封部位与接触界面有一定的过盈量，产生初始密封力，达到密封效果(见图4)。初始过盈量过大将导致密封唇口与活动接触面间的摩擦力增大，唇口部位易磨损，密封圈使用寿命缩短;初始过盈量过小，密封唇口与活动接触面间的预紧力小，密封效果不理想，甚至不能满足高压密封。工作压力较小时，可以认为产品是在无压状态下使用，此时的密封力仅为密封唇口与活动接触面的接触预紧力;压力较高时，不仅要考虑密封唇口的过盈尺寸，而且还要考虑其相应增大的厚度尺寸，以便提高密封唇口的抗弯曲能力。Y型密封圈的密封唇口可采用模压成型或机械切割方式成型。唇口尺寸较小或者尺寸特别大时，一般采用模压成型。采用切削加工方式切削唇口时，需用专门胎具，且多一道工序，生产周期较长。

2.2 内唇与活塞或外唇与缸体夹角的确定

内唇与活塞或外唇与缸体夹角(见图4)的大小直接影响着密封唇口与其相应接触面的接触面积的大小。夹角越大，密封唇口与其相应接触面的接触面积越小，这对低压密封效果影响不大，但对高压密封效果会有影响;夹角较小时，密封唇口与其活动接触面的接触面积较大，随着工作压力的增大，密封唇口因扩张而产生的过盈力增大，有利于密封，但会增大摩擦力，接触面磨损加剧，影响产品使用寿命。在满足工作压力的条件下，选择合适的角度值，能获得良好的密封效果，并能有效延长产品使用寿命。关于该角度的合理取值，应进行相应的力学分析，见图5。

图5 唇口力学分析

　　根据图5受力分析，将产品密封唇口按弹性力学处理，材料的力学性能满足虎克定律。密封压力F垂直于密封唇口切线，应符合以下公式：

Fx=F·cosA

Fy=F·sin A

通过力学分析得知，活动接触面向上的力不能小于Y向分力Fy，即：

F·cos A·f≥F·sinA

F-预紧力(作用方向与唇口方向垂直);

f-密封唇口与活动接触面的摩擦系数。

得出A=arctgf，也就是说，角度A的选值与活动接触面的摩擦系数的大小有关 金属与橡胶的摩擦系数一般为0.3~0.4，由此得知A值在16.7度到22度之间。

2.3 唇口顶角B的优化

当a值一定时，密封圈顶角B(见图4)取值越大，受压时唇口密封部位越易产生较大弹性变形，由此产生的初始密封力也就越大，这对低压密封非常合适;随着工作压力的不断增大，顶角B应当适当变小，可提高密封唇口的抗压能力，顶角B的取值一般在50度到60度之间。

2.4 根部尺寸的优化

Y型密封圈受压时，其根部形状会出现压缩变形，导致宽度尺寸变大，高度变小，工作压力不同时，密封圈根部宽度距缸体或活塞间隙g(半径间隙，见图6)取值大小与其使用寿命密切相关;若挤出间隙对于工作压力来说取值过大，密封件根部可能因自身受压而损坏 (见图7)关于挤出间隙g的选择应当参考图9进行。根部高度的选择应参考HG4—335—66进行。

图6 挤出间隙示意图

图7 跟部挤压受损示意图

　　除此之外，在一些压力较高的密封场合，即使挤出间隙的选择较为合理，但也较难保证根部材料不受损伤。为使密封圈能够承受较大工作压力，可给其根部增加支撑环，支撑环一般选择摩擦系数较小的聚四氟乙烯或聚酰胺，见图8。

图8 密封圈根部支撑环示意结构

图9 挤出间隙选择参考图

　　3、设计实例

已知：工作压力为1MPa，材料硬度为80度，活塞杆速度V=0.5m/s，装配尺寸：槽宽=8.2mm，槽底直径=79.5mm，缸体内径=90mm。

图10 设计产品的断面形状

　　根据本文设计理论 产品相关装配尺寸为

1)查图9可得，挤出间隙g=0.3mm;密封圈根部外径=缸体外经-2g=90-0.6=89.4mm，同理得出产品根部内径为80.1mm。

2)密封圈高度尺寸及公差范围参考HG4-335-66，h=(7.0±0.2)mm;由于存在工作压力，即使密封圈高度比沟槽宽度小1mm左右，加之往复运动的速度不高，也不会出现密封圈在沟槽内蹿动的现象。

3)密封圈根部高度选择应参考HG4-335-66进行，根部高度=4.2mm。

4)唇口装配单边过盈尺寸为 0.7~0.75mm，所以唇口部位外径尺寸为91.5mm，内径尺寸为78.1mm。

5)唇口厚度=2.0mm 夹角A=17度，顶角B为60度。

4、试验

上述产品装入设备中进行考核试验，试验工况见表1。

表1 实际装机考核指标

　　实际装机考核试验温度为100℃，在设备连续工作24h后，没有出现漏油现象，说明密封效果良好。拆卸下来后，观察到密封圈外观没有出现较大变形和破坏现象。

5、小结

通过探讨，掌握了Y型密封圈设计时应注意的几个关键尺寸和设计准则。在实际设计中 要根据用户的使用工况对产品局部设计规范稍作改动。例如：密封圈唇口厚度随着工作压力的增大应当适当加厚，顶角B适当减小等等，但这些改动设计人员应当灵活掌握。

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