一种开关密封设计研究

一种开关密封设计研究

凯林章

（贵州振华华联电子有限公司    贵州省黔东南凯里市  550000）

摘要：本文针对用户提出的产品研发需求，通过对产品密封技术指标进行分析，分别从密封类型、密封结构分析、密封材料选择及结构参数等方面进行分析，进行了相关参数的理论计算。

关键词：密封类型、密封结构分析、密封圈材料、结构参数设计

1  引言

本密封设计是根据用户需求进行设计的，密封要求为，开关处于自由状态，将开关浸入水面以下至少30mm（导线末端在水面上），向开关内部打气加压0.5MPa，保持10min，在此期间，监视气泡流泄露是否来自开关壳体和按钮之间密封处（同时在同一部位连续有1个或1个以上的气泡称为气泡流），若气泡流来自壳体和按钮之间密封处，则认为是开关试验件泄露，开关试验件外壳表面空气形成的气泡不认为是泄露。

2  开关密封详细结构设计

2.1 密封类型

根据产品结构设计和密封要求，初步选定橡胶O型密封圈（以下简称密封圈）密封，结构如图1所示。工程上最常用密封元件为橡胶O型密封圈，其截面为圆形，且该类型密封圈具有结构简单，安装部位紧凑，重量轻，制造容易，成本低廉，自密性好，运动摩擦小等特点。

图1 密封圈结构图

2.2 密封结构分析

常见的密封结构（O型密封圈）所用的密封槽有以下四种：Ⅰ型轴用密封、Ⅱ型孔用密封、Ⅲ型螺纹连接件密封、Ⅳ端面密封，如图2所示。

图2 密封结构类型

根据本开关密封部位和应用选择孔沟槽密封结构（即Ⅱ型密封结构）。本开关密封部位如下图3所示。

图3 开关密封部位示意图

2.3 密封圈材料选择

密封圈材料选择对其自身密封性起着至关重要的作用，因此选用密封圈材料需满足一定要求，例如材料需富有弹性和回弹性，有一定的机械强度（包括抗断强度、延伸率等），性能稳定，在介质中不易溶胀、热收缩效应小，不腐蚀接触面，不污染介质，易加工成型，并能保持精密的尺寸等。结合开关使用环境（工作温度为-55℃～+125℃）、使用工况、密封形式，此开关密封圈材料宜选用硅橡胶制造，该橡胶主要性能参数如下表1。硅橡胶材料的耐油、耐溶剂、耐化学药品、耐寒等性能也比较优良，即使在高低温环境下、油脂混合环境体系中，其硫化胶的硬度、抗拉强度、体积变化也很小，各项物理特性也几乎没有改变。

表1 6145硅橡胶性能参数表

2.4 结构参数设计

根据技术协议对轴套内孔和轴外径尺寸要求以及《HB/Z4-1995 O型密封圈及密封结构的设计要求》，初步选定密封圈截面直径d为3mm、密封圈内径D为6mm。

依据初选密封圈外形尺寸和《HB/Z4-1995 O型密封圈及密封结构的设计要求》中拉伸率与压缩率参考范围，从下表2、表3中初选拉伸率α=1.04，压缩率Y=12%进行计算。

表2 拉伸率参考范围

表3 压缩率参考范围

密封圈的拉伸率、压缩率及槽满率分别按下式计算：

（a）拉伸率计算公式：

   α=（1）

上式中：α——拉伸率；

Dc——按柄直径；

d——密封圈截面直径；

D——密封圈内径。

（b）压缩率计算公式：

 Y=（2）

b=kd                    （3）

上式中：b——密封圈拉伸或压缩变形后截面直径；

d——密封圈截面直径；

h——槽底与轴组成的密封圈安装槽深空间；

k——为系数，与拉伸率α有关，可按下式计算：

K=

最大压缩率Ymax

Ymax=

最小压缩率Ymin

Ymin=

由上式可得：

D==[（6+3）/1.04]-3≈5.66mm

K==≈0.97

                 b=kd                  （4）

b=3×0.97=2.91mm

h=b(1-Y)=2.91×（1-12%）≈2.56mm

密封槽直径Dk为：

                  Dk=Dc+2h               （5）

Dk=6+2×2.56=11.12mm

当D、Dk取整时，即D=5.7mm、Dk=11.1mm时，校核密封圈拉伸率α和压缩率Y，由（1）式计算得：α=1.04，由（1）（3）（4）（5）式计算得：Y≈12.37%，满足表2拉伸率参考范围值、表3最小允许压缩率。

（c）槽宽计算公式：

B=K1d

式中：d——密封圈截面直径；

K1——槽宽系数，部分材料数值参照表4：

表4 槽宽系数K1（HB/Z-1995）

本开关密封圈所用材料硅橡胶6145与6144性能一致，因此槽宽系数由表4取值得K1=1.14，则：

B=K1d=1.14×3=3.42mm

本开关密封属于内部活动密封，在开关运动状态下，密封槽需预留一定空间适应密封圈在活动状态下可能产生的轻微滚动，根据密封设计经验当O型密封圈的截面面积应占矩形密封槽截面面积的80%～85%时密封效果最佳。本开关槽满率计算如下：

槽满率K计算公式：

K=

式中：S1——密封圈截面面积；

S2——密封槽截面面积。

K=

通过上述计算，开关槽满率80%＜K=82.7%＜85%，即开关密封圈截面直径选择合理，满足密封要求。

密封圈尺寸偏差选择依据下表5、表6选择，即密封圈截面直径d为3±0.1mm，内径D为5.7±0.1mm。槽公差参考表7选择，即槽宽B为3.4mm，密封槽直径Dk为11.1mm。

表5 密封圈内径D尺寸偏差（HB/Z-1995）

表6 密封圈截面直径d尺寸偏差（HB/Z-1995）

表7 密封槽尺寸偏差参考表（HB/Z-1995）

（d）间隙

密封结构中配合间隙的大小与介质工作压力和密封圈材料的硬度有关，间隙太小，制造、加工困难；间隙太大，密封圈会被挤入间隙而损坏，一般情况下，内压越大，间隙越小，反之越大；随着密封圈硬度增加，间隙也随之适当增大，间隙的给定数值与零件的加工精度有很大关系。本开关密封结构孔与轴配合最大间隙满足表8规定范围，最大间隙为0.12mm，最小间隙为0.05mm，即按柄尺寸为6±0.02mm，外壳内孔mm。

表8 孔与轴选择装配的最大允许间隙（HB/Z-1995）

由上述压缩率公式可计算最大压缩率Ymax、最小压缩率Ymin：

Ymax=

         =

Ymin=

       =

综上理论计算，开关的最大及最小压缩率符合表3压缩率要求，即开关密封结构能达到技术协议的密封要求。

（e）槽口及槽底圆角的设计

密封槽的外边口处的圆角是为了防止密封圈装配时刮伤而设计的，它一般采用较小的圆角半径，即r=0.1mm～0.2mm。这样可以避免该处形成锋利的刃口，密封槽底部圆角主要是为了避免该处产生应力集中，圆角半径取值一般在0.3mm～1mm，结合本项目开关结构特征及使用工况，槽口圆角设计为r2=0.2mm,槽底圆角设计为r1=0.5mm。

（f）密封结构配合表面粗糙度选择

密封槽的表面粗糙度直接影响着O型密封圈的密封性和密封槽的工艺性。密封结构配合表面粗糙度选择参考下表9，按柄表面、外壳内孔配合面粗糙度为Ra=0.8μm，密封槽表面粗糙度为Ra=1.6μm。

表9 密封结构配合面粗糙度参考表（HB/Z-1995）

4  密封结构件主要参数

综上分析和理论计算，开关密封设计满足密封要求，开关密封结构设计详细参数如下表

表10 密封部位计算表

5、结束语

综上所述,通过对密封结构、密封件材料的选择、密封结构配合尺寸公差进行理论分析，并经试验验证，满足了用户的密封指标要求。

参考文献：

HB/Z4-1995《O型密封圈及密封结构的设计要求》

《新编机械密封实用手册》 田伯勤主编