密封设计综合规范.docx

密封设计规范
目录
目录------------------------------------------1
参考资料--------------------------------------2
1.目标----------------------------------------3
2.适用范围------------------------------------3
3.密封概述------------------------------------3
3.1垫片静密封-------------------------------3
3.1.1.垫片密封结构及原理-----------------3
3.1.2.垫片密封机理及选型---------------3
3.1.3.法兰面垫片密封压紧型式-----------4
3.2密封胶静密封-----------------------------5
3.2.1密封胶密封结构及原理----------------5
3.2.2密封胶密封压紧型式----------------6
3.3成型填料密封-----------------------------6
3.3.1非金属O型圈密封结构机理----------6
3.3.2非金属O型圈失效模式----------------20
3.3.3 其它型式密封圈 -------------------25
3.3.4 金属空心O型环密封------------------25
4密封试验-------------------------------------25

参考资料：
1）<<机械设计手册>>第五版 .化学工业出版社
2）<<机械设计图册>> 北京.化学工业出版社.
3) 国家标准GB 700 – 86，GB 4208等密封标准
4）

1.目标：
统一规范电池组箱体密封设计标准，方便开发人员进行密封结构设计。
2.适用范围：
标准适适用于天津市捷威动力动力电池开发部开发电池组系统。
3.密封概述：
电池组箱体密封关键采取垫片静密封，密封胶静密封，成型填料（动静）密封三大类。
3.1. 垫片静密封。垫片密封关键是橡胶平垫结构，具体橡胶平垫规格要依据箱体机构定型。
3.1.1.垫片密封结构及原理
利用平垫式不亲油，不亲水，承受压力情况下变形小泡棉材料，硅胶材料及橡胶材料部署于上下电池组箱体配合面上，靠上下箱体压紧密封。
3.1.2.垫片密封机理及选型
密封垫是靠外力压紧而产生弹性或塑性变形,从而填满金属表面上微小凹凸不平来实现密封。假如压力太小,垫片沒有压紧就不能止漏,但压紧力太大往往又会使垫片产生过大压缩变形甚至破坏.所以,为了正确地使用密封垫,必須采取恰好确保密封最小压紧力，通常垫片变形量要控制在小于20%，以保持密封材料弹性，达成密封效果。在设计电池组箱体时要综合考虑最小压紧力（现在还没有密封材料对应最小压紧力数据）及垫片变形量。
表1,，螺钉扭矩和螺钉最小压紧力间关系

现在企业已使用过材料有东日，圣戈班，长濑企业生产EVA(发泡塑胶)，密封泡棉，高弹性泡棉材料。
具体材料特征可参考本文3.3.19)~16)。
3.1.3.法兰面垫片密封压紧型式

图2，法兰连接垫片密封
图2所表示为法兰连接垫片密封，图a ~ d垫片型式为非金属软垫片，在设备及管道连接密封应用较成熟，图a密封垫片为满铺式，即整个法兰面上用垫片铺满。因密封垫片接触面积大，在一样密封压力条件下，螺栓受力大，法兰受力比较均匀，适适用于密封介质压力不高，铸铁法兰连接。图b垫片接触面比图a小，螺栓受力有所改善。图c是最常见法兰连接，在一样螺栓受力条件下，密封压紧力大，但法兰根部需承受螺栓螺栓力引发较大弯矩，适适用于压力较高，钢制法兰连接。图d为榫槽面法兰连接，垫片宽度较窄，并在槽内，榫面法兰在螺栓力作用下压紧垫片，垫片变形量堆积在榫槽内，外圆间隙，使密封愈加严密，适适用于压力较高，毒性较大，密封要求严格法兰连接。
3.2.密封胶静密封。 密封胶关键用于较成熟电池组系统，以免造成拆装电池组不便，不过密封胶因为是液体涂抹到电池组箱体密封法兰上时能够很好地填充上下壳体间间隙，待胶凝固后密封效果更能够达成IP67。现在使用液态密封胶有HT901。
3.2.1.密封胶密封结构和机理
1) 对结合面间隙估量.结合面在涂胶前先用量具测量间隙距离.当
间隙小于0.1mm时,可单独使用液态密封胶；假如间隙在0.1~0.3mm
之间.液态密封胶必需和固体垫片并用才能达成良好密封效果；当
间隙超出0.3mm,假如试验条件不苛刻,使用温度和工作压力全部不高
时,采取液态密封胶和固体垫片共用也能达成满意密封效果,不然
二者并用后仍将会产生泄漏或渗透。
2)结合面间隙较大部位，应选择可干可剥型，不干粘接型或半干粘弹型密封胶加固体垫片并用。
3)电池组液冷管管接头等螺纹密封,优先考虑选择聚四氟乙烯生料带和厌氧性液态密封胶。在螺纹管道间隙较小, 使用工作压力和温度要求不高情况下,也可选择不干粘接型和半干粘弹型液态密封,但不能选择干粘着型和干可剥型密封胶。因为干型液态密封胶含有大量溶剂,溶剂挥发后形成皮膜残留在螺纹管道上,易堵塞管道面影响工作。
4）密封胶分类

3.2.2密封胶密封压紧型式
1) 预处理：将封面上油污、水、灰尘或金属屑除去。单独使用时,两密封面间间隙应小于0.1mm。
2) 涂敷：涂敷厚度视密封加工精度、平整度、间隙大小等具体情况而定,通常在电池包下箱体配正当兰面上涂敷0.12~0.2mm厚度即可。
3)干燥：溶剂型液态密封胶需干燥,干燥时间时所用溶剂种类和涂敷厚度而定,通常为3~7mm。
4) 紧固、紧固方法和使用垫片相同,不可错动密封面。
3.3. 成形填料密封。它是靠填料本身在机械压紧力或介质压力自紧作用下产生弹塑性变形而堵塞流体泄漏通道。
成形填料密封按工作原理分为挤压密封圈（O-Ring密封结构即O型密封圈）及唇型密封圈两类，材料关键是橡胶。
3.3.1．非金属O型圈密封结构机理
1） O型圈概述

O型圈是一个界面形状为圆形橡胶圈，是液压气动中应用最广泛密封件。
2）O型圈特点

1：安装前 2：安装后 3：箱体内部有压力情况
特点：
1尺寸小装拆方便 ，2动静密封均可用， 3静密封几乎没有泄漏 ，4单件使用双向密封 ，5动摩擦力小 ，6价格低 。
3）O型圈密封原理

O型圈密封是一个挤压型密封。当密封件产生初始形变和应力Pseal，Pw>Pseal时，将不会泄漏。
Pm=P0+Pp，Pp=K×P。 Pm=P0+K×P
K为介质压力传输给O型圈压力系数（对橡胶，K=1；对无缝钢管？复合密封圈？）
所以，只要O型圈存在初始压力，就可实现无泄漏绝对密封。 O型圈密封是一个自密封结构
4）O型圈密封压缩变形率选择

偏心
理论上0压缩也可实现密封，实际是不可能。
偏心 工作载荷下，O型圈拉伸，变细，就可能泄漏
低温 橡胶收缩，变细，可能泄漏（低温会造成橡胶加速老化，失去赔偿能力）
通常断面有7%-30%压缩变形率，静密封取大压缩率（15%-30%），动密封取小压缩率（9-25%）
5）O型圈受内压、外压选择

受内压 受外压
受内压 O型圈外径和沟槽外径相同
受外压 O型圈内径和沟槽内径相同
预防出现在工作压力下出现O型圈直径变小。
将 O 形圈安装在沟槽内时，要受到拉伸或压缩。若拉伸和压缩数值过大，将造成O形圈截面过分增大或减小，因为拉伸1%对应地使截面直径W 减小约0.5%。对于孔用（内压）密封，O形圈最好处于拉伸状态，最大许可拉伸量为6%；对于轴用（内压）密封，O 形圈最好延其周长方向受压缩，最大许可周长压缩量为3%。
6）O型圈挤出原理

7）O型圈许可挤出间隙

最大许可挤出间隙g max 和系统压力，O 形圈截面直径和材料硬度相关。通常，工作压力越高，最大许可挤出间隙g max 取值越小。假如间隙g 超出许可范围，就会造成O 形圈挤出甚至损坏,当压力超出5MPa时，提议使用挡圈

表一，材料硬度，压力及O型圈截面直径间关系
材料硬度
压力MPa
O形圈截面直径W
1.78
2.62
3.53
5.33
7.00
邵氏硬度A70
≤3.50
0.08
0.09
0.10
0.13
0.15
≤7.00
0.05
0.07
0.08
0.09
0.10
≤10.50
0.03
0.04
0.05
0.07
0.08
邵氏硬度A80
≤3.50
0.10
0.13
0.15
0.18
0.20
≤7.00
0.08
0.09
0.10
0.13
0.15
≤10.50
0.05
0.07
0.08
0.09
0.10
≤14.00
0.03
0.04
0.05
0.07
0.08
≤17.50
0.02
0.02
003
0.03
0.04
邵氏硬度A90
≤3.50
0.13
0.15
0.20
0.23
0.25
≤7.00
0.10
0.13
0.15
0.18
0.20
≤10.50
0.07
0.09
0.10
0.13
0.15
≤14.00
0.05
0.07
0.08
0.09
0.10
≤17.50
0.04
0.05
0.07
0.08
0.09
≤21.00
0.03
0.04
0.05
0.07
0.08
≤35.00
0.02
0.03
0.03
0.04
0.04

由上图可知正确选择电池组上下箱体间预留间隙是O-Ring密封圈密封作用关键参数，不过前提要已知电池包内部预压，O型圈材料。
8）O型圈压缩量选择

液压-气动-静密封 液压-动密封

气动-动密封 和材料相关O形圈圆周方向压缩力
9）O型圈材料特征

10）O型圈材料特征比较图

11）O型圈材料特征排序

12）O型圈材料硬度

13）O型圈材料特征

14）O型圈材料耐化学性

15）O型圈材料耐温性

16）O型圈材料选择标准
外界原因：
1，工作状态：动密封，静密封；连续工作，间断工作等
2，工作介质：液体、气体还是两相流，及介质物理化学性能，和介质相容性
3，工作压力：介质工作压力高低，压力波幅，瞬时最大压力
4，工作温度：瞬时温度和冷热交变温度
5，成本起源：成本低，起源广
O型圈硬度硬度：
通常为70-90邵氏硬度，静密封选低值70，旋转密封取高值80，极少采取90。
17）O型圈设计标准
通则：
O型圈密封是挤压式密封，设计关键内容为O型圈压缩和拉伸。
O型圈直径压缩和拉伸。
a，压缩量过小：泄漏
b，压缩量过大：应力松弛引发泄漏
c，拉伸量过大：界面直径降低太大而引发泄漏
压缩率设计：
W%=(d0-h)/d0。
a，有足够密封接触面积
b，避免永久变形
c，摩擦力尽可能小
圆柱静密封：10%-15%，平面静密封：15%-30%。
往复运动密封：10%-15%。
旋转动密封：内径比轴大3%-5外径压缩率为3%-8%。
低摩擦用密封：通常为5%-8%，考虑介质和温度引发膨胀， 如超出15%，重新选材。
拉伸率设计：
W%=(d0+d)/(d0+d1)。
O型圈装入轴中后，通常会有拉伸，假如无拉伸，装配时轻易脱出，如拉伸过大，会造成O型圈截面积降低太多，出现泄漏。
通常其拉伸量为1%-5%。

18)O型圈沟槽设计
槽体积比O型圈体积大15%左右。
设计参数：形状，尺寸，精度，粗糙度，对于动密封，需要计算相对运动间隙。
标准：轻易加工，尺寸合理，精度轻易确保，拆装方便。
a，有压缩3%-30%压缩。
b，在介质中膨胀，温升膨胀。
c，太窄磨损，太宽滚动磨损。

O型圈沟槽深度设计：
槽深设计决定O型圈设计压缩量，沟槽深度加上间隙小于O型圈自由状态下O型圈线径。
O型圈压缩量由内径压缩量δ’和外径压缩量δ”组成。
δ’<δ”,O型圈安装时受压缩；拆卸时O型圈有弹跳；常见于旋转密封。
δ’= δ”,O型圈安装时未受压缩；最为常见。
δ’> δ”,O型圈安装时受拉伸；用于滑动密封，如活塞密封。

O型圈沟槽槽口和槽底圆角设计：
槽口圆角：预防O型圈装配时出现割伤和刮伤。R=0.1～0.2 mm
过大，过小会出现什么情况？（挤出和割伤）
槽底圆角：预防出现应力集中， 动：R=0.1～1.0 mm ，静:R=d0/2 mm ，
O型圈沟槽表面粗糙度设计：
静密封：Ra=6.3～3.2，
动密封：Ra=1.6 ，
旋转密封：轴凹槽：Ra=0.4或更小。
A，采取什么样工艺来加工沟槽比很好。
B，沟槽粗糙度过大或过小会出现什么问题。

目标：预防O型圈在工作时出现间隙咬伤和挤出实效。
使用：单向受压，一个挡圈；双向受压，两个挡圈。

O型圈沟槽型式和公差：详见 GB/T 34523

3.3.2非金属O型圈失效模式
O型圈常见失效原因有材料问题、压缩变形、间隙咬伤、扭曲现象、磨料磨损、表面粗糙度不妥和焦耳效应等。

1）压缩变形，以下图所表示：
2）O型圈磨损，以下图所表示：

3）O型圈安装损坏，以下图所表示：

4）O型圈爆破失效，以下图所表示：

5）O型圈挤出失效 以下图所表示：

6）O型圈膨胀失效 以下图所表示：

7）O型圈老化/氧化失效 如右图所表示：

8）O型圈非经典失效 如右图所表示：

3.3.3 其它型式密封圈

3.3.4 金属空心O型环密封

上图为金属空心O形环密封，图a~d表示出O形环设置在不一样位置上。
O形环断面形状长圆形。当环被压紧时，利用环弹性变形进行密封。O形环用管材焊接而成，常见材料为不锈钢管，也可用低碳钢管̦铝管和铜管等。
O形环断面形状长圆形。当环被压紧时，利用环弹性变形进行密封。O形环用管材焊接而成，常见材料为不锈钢管，也可用低碳钢管，铝管和铜管等。为提升密封性能，O形环表面需镀覆或涂以金，银，铂，铜氟塑料等。管子壁厚通常选择0.25~0.5mm，最大为1mm。用于密封气体或易挥发液体，应选择较厚管子；用于密封粘性液体，应选择较薄管子。
O形环分为充气式和自锁式两种。充气式是在封闭O形环内充惰性气体，可增加环回弹力，用于高湿场所。自锁式是在环内侧圆周上钻有若干小孔，因管内压力随同介质压力增高而增高，使环有自锁性能，用于高压场所。
金属空心O形环密封含有优良密封性能，适适用于高温，高压，高真空，低温等条件，可用于直径达6000mm，压力为280MPa，温度-250~600°C场所。