密封模型及原理

自密封原理

密封圈自密封作用

如上图所示，第一行是密封圈在各种状态下的形态，第二行是相应的密封面上的应力分布。

密封圈安装完成后密封面上有一个初始密封应力Pv，工作时液体压力为P。橡胶为不可压缩材料，其泊松比约等于0.5，水的泊松比为0.5。在这种情况下可以将密封圈类比于水，便可以理解内部液体压力P将传递到密封面上，密封应力增加到Pd=P+Pv。即使内部液体压力增加，超过了密封圈初始密封应力Pv，密封圈也不会发生泄漏，这就是自密封作用。

虽然有自密封作用，密封圈由于老化原因，在生命周期内依然可能失效。密封圈在压缩状态下，由于物理因素（蠕变等）和化学因素（长分子链间共价键的打断与重新结合），会持续老化，密封力会逐渐降低。密封力过低，便会发生泄漏，所以密封圈设计时需要考虑老化的影响。

压缩率及压缩应力

压缩率是经验值，是检查密封圈设计的第一个考量标准。压缩率与密封圈压缩变形定义如下。

密封圈压缩参数定义

压缩率Cr=(h0-h1)/h0×100%

h0：密封圈初始高度

h1：密封圈安装压缩后高度

永久压缩变形Cs=(h0-h2)/(h0-h1)×100%

h2：密封圈在压缩状态释放后恢复的高度

在经历老化后的永久压缩变形反映了密封圈塑形形变的大小，能在一定程度上衡量密封圈老化程度以及残余密封力的大小。

按照某密封材料供应商的说法，只要在所有初始状态下，密封圈压缩率都控制在10%~30%的范围内，密封圈就能确保密封作用，我们可以看出该供应商是根据压缩率来设计密封圈，实际上是不太准确的。

不同形状、不同材料、不同的压缩率导致的密封力是不同的。初始压缩率设计的太小，补充公差能力就弱，密封失效可能性大；初始压缩率太大，初始内应力就大，密封老化速度快，压缩永久变形增大，压缩率是辅助的考量值，密封圈设计更准确的是参考密封力。一般而言，我们需要保证密封圈的密封力是密封腔体内部液体压力的7倍。

Parker曾经做过实验，针对不同的压缩率，测试其相同时间下永久压缩形变大小，结果如下图所示。

在压缩率较小的时候，分母h0-h1较小，分子h0-h2很小的改变就能够导致很大的永久压缩变形。随着压缩率增加，永久压缩变形逐渐降低。但到一定程度之后，随着压缩率增加，内应力增加，塑性变形增加，永久压缩变形也会随之增大。

压缩率应该选择在永久压缩变形最小的点，针对parker这款材料压缩率应该尽量选择28%，其他供应商材料可以参考该压缩率，但具体设计时还需要权衡考虑其他各方面因素。

永久压缩变形与初始压缩量关系

密封圈的设计

为了更好的讲解密封圈的设计，我们用实际案例的形式展开讲解，首先我们先给出大致的步骤。如下图所示：

第一步：工况条件

在这一步必须将产品的使用环境尽可能完整的给出，主要包括以下几个方面：

• • 温度范围：
    • 环境温度：-40℃~105℃
    • 冷却液温度：-25℃~65℃
    • 接触介质温度：如铜基板，假设为90℃
  • 密封介质（左侧，右侧）
    • 冷却液型号：G40（乙二醇和水1：1混合液）
  • 配合尺寸及材料
    • 下配合件：AlSi12（Fe）
    • 上配合件：Cu
    • 密封槽尺寸：如图
    • 密封槽表面质量：粗糙度Ra1.6

• 安装方式
  • 螺钉间距：螺钉间距一般在60~70之间，密封圈硬度越大，间距越小
  • 手动装配：装配前需要对手部进行清洁，以确保不会对密封圈造成影响
• 耐久测试，客户特殊需求
  • PTC测试，HTOE测试，压力脉动测试等
• 压力（单侧，双侧，脉冲，峰值）
  • 测试频率：1Hz
  • 水温：85℃（高温）、低温（-25℃）
  • 脉动次数：20万次
  • 压力：冷却液压力，一般为2.5bar
  • 脉动条件
• 类似经验教训
  • 铜基板变形，需关注最大变形量，耐久后是否会密封力不足

第二步：材料选择

根据不同的使用场景，材料一般会有差异，常见的汽车行业使用密封圈材料如下表述：

燃油（-20℃~200℃）：FKM

冷却/制动（-40℃~150℃）：EPDM

发动机/变速箱（-30℃~140℃）：HNBR

气刹制动（-30℃~100℃）：NBR

发动机/变速箱（-40℃~170℃）：AEM,ACM

电子元器件（-60℃~200℃）：VMQ

燃油接头（-55℃~175℃）：FVMQ

对于电控行业，我们一般采用EPDM作为水道密封圈的密封材料。硬度一般选择Shore A60~70

第三步：类型选择

类型选择，是指密封是属于静密封，还是属于动密封。一般来讲，电控产品中，常用的密封方式为静密封，如HPD系列功率模块的密封形式，均为静密封的端面密封。

第四步：密封设计

(1)初始压缩率

初始压缩率决定了初始密封能力，需要考虑密封圈和密封槽的公差，补偿压缩永久变形，以及磨损（静密封磨损可忽略）

在现有HPD封装中，功率模块的基板一般为铜材质，由于结构强度以及铜基本发生蠕变，在整个寿命过程中，铜基板的最大间隙g可增大到0.5mm。压缩率的模型及计算公式如下图所示。面密封的最佳压缩率范围是20%~30%，极限情况10%~40%，但需要校核密封应力。

Cr=（H-h-g）/H

压缩率示意图

（2）填充率

密封圈设计时需要考虑填充率，要求在极限情况下（即考虑密封圈最大尺寸，密封槽最小尺寸，考虑溶胀，考虑热膨胀），填充率小于100%。填充率的计算公式如下所示。为补偿0.5mm间隙，密封圈高度很高，为合理减小密封圈截面面积，又较少对压缩率的影响，因此采用双唇的截面形状。

Fr=A0/Ag

其中，A0为考虑极限情况下（即考虑密封圈最大尺寸，考虑溶胀，考虑热膨胀）密封圈的体积

Ag为考虑极限情况下（即考虑密封槽最小尺寸）密封槽的体积

（3）拉伸率

对于非径向密封的密封圈来说，拉伸会导致压缩率的减小，对密封来说是不利的。因此，密封圈的整体长宽应根据密封槽的中线设计，不存在拉伸的情况。

第五步 设计确认

密封圈设计确认最常用的方法是仿真方法。

但需要注意：必须使用本材料的拉伸、压缩数据仿真。否则直接会加大仿真误差，且EPDM材料的拉伸、压缩应力应变曲线在高温、常温、低温在相差甚远。

同样压缩率下，压缩应力高温下大概是常温的95%，低温是常温的3倍多。需要考虑在耐久后是否可以满足密封需求。

在仿真通过后，就是按设计要求进行密封圈开模，制造样品。

密封圈的验证

密封圈的验证主要分为两大类，一类是针对原材料本身性能的验证，另一类是针对密封圈设计成果的验证，下面我们分别来做下简单介绍。

• • 原材料性能的验证
    • 初始性能

项目	单位	标准值	测试标准	备注	重要度
硬度	Shore A	60±5	DIN ISO 7619-1	针对电控产品，推荐使用Shore60 /70	重要性能
断裂抗拉强度	Mpa	Min10	ISO37	关系到疲劳寿命	重要性能
断裂延伸率	%	Min350	ISO37	关系到疲劳寿命	重要性能
比重	g/cm3	1.09±0.03	ISO2781	监控成型工艺稳定性的一个重要指标	重要性能
永久压缩形变	%	Max27	70Hrs@150℃，DIN ISO815-1 Method A	关系到疲劳寿命，必须满足要求	必须满足性能

• • 热空气老化性能

材料在125℃热空气密闭环境中，经历70小时测试后，材料的物性或变化要求

项目	单位	测试值(老化后)	测试标准
硬度变化	Shore A	<±5	ISO188
断裂抗拉强度	Mpa	Min12.0
断裂抗拉强度变化	%	Max-15
断裂延伸率	%	Min150
断裂延伸率变化	%	Max-10

• 抗低温性能

(1). 2mm厚样条在-55℃的密闭环境中，存储2小时，并在此温度下，0.5s内以R2mm折弯半径弯曲试样，表面不允许出现裂纹；

(2)．材料的玻璃转化点温度：TR(10)≤-45℃

• 抗热性能

2mm厚度样条在150℃的密闭环境中，存储72小时，冷却后，要求质量变化＜4%，无粘性，无裂纹，且以R2mm折弯半径折弯时不允许出现裂纹。

• 耐介质性能

材料在125℃的水和乙二醇(G40)1:1混合液中，存放1008小时后的物性或变化要求见下表

项目	单位	标准	测试标准
硬度变化	Shore A	<±5	ISO1817
断裂抗拉强度	Mpa	Min10.0	ISO1817
断裂抗拉强度变化	%	Max±20	ISO1817
断裂延伸率	%	Min150	ISO1817
断裂延伸率变化	%	Max±30	ISO1817
永久压缩形变	%	Max50	1008hrs @ 125℃, DIN ISO815-1 Method B
体积变化	%	+8/-2	ISO1817

• 耐臭氧性能

测试标准及测试条件如下：

测试标准：DIN ISO1431-1,method A；

温度：40℃；

臭氧浓度：50±10p.p.h.m；

延伸率：50%

持续时间：100小时

通过标准：零件表面不允许出现裂纹

只要原材料满足了上述验证，那么可以认为选用的密封圈原材料是符合我们的选型标准的，但最终能否产品总成的需求，还需要完成密封圈设计的验证。

• 密封圈设计的验证

这里讲的密封圈设计的验证，主要是指密封圈设计在产品中的可靠性的验证，对此，我们一般会进行高温和低温的压力脉动测试，其测试条件一般如下：

测试压力：0.1~2.5Bar

测试频率：1Hz

水温：85℃（高温）、低温（-25℃）

脉动次数：20万次

冷却液：乙二醇和水的混合液（1:1）

密封圈失效形式

1）溶胀

密封圈在冷却液中，冷却液元素融入密封圈中，使体积增大，比重下降，机械性能和耐磨性降低。

2）萃取

密封圈在冷却液中，内部元素融入冷却液，使体积减少，材料变硬变脆，从而易开裂。

3) 高温失效

橡胶在高温情况下会变脆弱，每种橡胶都有一个最大的工作温度，超过该温度橡胶将会损坏，且热老化是永久不可逆的。EPDM的最高工作温度在150℃左右。

4) 低温失效

通常密封圈仅在低温下才会泄漏，当密封材料被降低到其最低工作温度的10℃以下时，密封材料将耐介质性，任何运动都有可能造成低粘性和液体和气体的泄漏。低温改变不是永久的，且不会对材料造成损坏。

5) 压缩变形

橡胶压缩变形是指密封圈失去了弹性变成了沟槽的，可能的原因是过度挤压、温度超限、化学腐蚀、收缩等。

6) 挤出

指压力将橡胶挤出到接触表面的间隙中，挤出的原因可能为压力过高，间隙过大，过度的溶胀和软化。

7) 化学腐蚀

指的是密封材料与化学介质或系统环境不相容而导致的材料软化、脆化、老化、收缩或还原。

8) 气蚀爆破

主要发生在高压密封环境中，气体进入材料内部，但系统压力迅速下降时，气体快速通过而导致破裂。

9) 臭氧袭击

臭氧侵害聚合物链，引起密封圈材料开裂，表现为与压力方向垂直的小的表面裂口，温度和拉伸会加速臭氧侵害过程。

10) 螺旋失效

螺旋主要发生在O形圈上，在装配或者使用过程中，由于材料太软或润滑不够，导致O形圈发生滚动，最终成扭曲形

11) 安装破损

指的是在密封圈装配过程中，由于尺寸不合适、润滑不够或过度拉伸导致的密封圈剪切、撕裂、切口等破坏。

12）过度填充

与挤出失效表现相似，但是该失效两边都有挤出。可能的原因为沟槽间隙不够，过度溶胀、密封圈尺寸不合适。

13）磨损失效

指密封圈表面有划痕、擦伤等外观质量问题，可能的原因是表面光滑度不够，密封圈材料不够耐磨，过度溶胀、润滑不够等。

14）疲劳

密封圈受疲劳载荷，内部受力发生老化，从而使密封圈开裂失效。

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