廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈失效分析與對策研究

張漢軍，李中才，劉繼，何宇明，李辛沫

（1.喬登衛(wèi)?。ńT）有限公司，廣東江門529000；2.五邑大學機電工程學院，廣東江門529020）

廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈失效分析與對策研究

張漢軍1，李中才1，劉繼1，何宇明2，李辛沫2

（1.喬登衛(wèi)浴（江門）有限公司，廣東江門529000；2.五邑大學機電工程學院，廣東江門529020）

介紹和分析了當前廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈五種常見失效現(xiàn)象及其成因，包括材料不達標、結構不合理、定位方式不科學、膠圈材質老化以及配伍件表面質量欠佳等原因所導致的防漏效能下降，在此基礎上從制作、裝配和使用等角度總結提出了有針對性的解決策略，可為今后進一步改善軸基O型圈的防漏性能并進而提高水龍頭生產(chǎn)質量的穩(wěn)定性、均勻性和一致性提供了有價值的依據(jù)。

O型圈；泄露；密封；失效分析；對策

基于橡膠材質O型圈的密封方式以其所具有的結構簡單、工作可靠和經(jīng)濟實惠等優(yōu)點而在工業(yè)界得到廣泛的應用[1]。在水暖器材行業(yè)當中就普遍使用O型圈作為廚衛(wèi)龍頭等器具的軸基密封構件，在該領域，當下密封件的應用需求基本在中等精度、中小規(guī)格范圍以內(nèi)，其密封對象以飲用、沐浴等溫度不超過100℃的清水或者類似的介質為主，長期工作環(huán)境壓強小于或等于0.5 MPa、高強度測試環(huán)境下壓強一般不超過3.5 MPa.由于O型圈易損易耗，當其失效后會造成龍頭滴漏嚴重而影響使用體驗，同時也不利于節(jié)水和環(huán)保。鑒于此，本文以廚衛(wèi)龍頭軸基防漏O型圈作為研究對象，通過總結它在實際使用環(huán)境下的各種失效形式，探討其產(chǎn)生泄漏的原因和機制，并在此基礎上提出面向軸基O型圈的具體防漏對策，為今后設計和制造中高端廚衛(wèi)龍頭提供一個有價值的參照依據(jù)。

1軸基O型圈密封原理分析

目前廚衛(wèi)龍頭軸基所用的O型圈，它的本體在自由狀態(tài)下一般呈現(xiàn)為圓形截面（如圖1a所示），經(jīng)安裝就位后會變形為一個類橢圓狀，通過彈性體受壓變形而在密封接觸面上產(chǎn)生一定的接觸壓力，當該接觸壓力大于內(nèi)介質泄漏壓力時則可起到密封作用[2]。為了使O型圈能夠正常發(fā)揮作用，基本采用“抱軸”式的結構設計（如圖1b所示），亦即軸基有一道環(huán)形密封槽以容納O型圈，其截面直徑（線徑）為d，內(nèi)徑為d1，軸基環(huán)形密封槽直徑為d3，密封孔徑為d2.不難發(fā)現(xiàn)，軸基O型圈的安裝難易程度以及密封效果主要與O型圈本身有關，而且與軸基環(huán)形槽直徑d3和寬度、以及對應的密封座孔的內(nèi)徑d2等密切相關。

圖1 水龍頭軸基O型圈結構及安裝示意圖

圖2是軸基O型圈在不同安裝結構配伍下其密封狀況的示意圖。其中，圖2（a）所示為軸基環(huán)形槽相對于O型圈本體具有較寬裕的槽寬，此時O型圈處在安裝過程中，其密封截面受到密封座孔及龍頭軸基槽底的上下壓縮而發(fā)生變形，并在材料彈性的作用下產(chǎn)生反彈力而壓緊座孔及軸基孔軸以形成有效密封面，在此狀況下O型圈向左右兩側脹起以釋放內(nèi)部應力。顯然，安裝的摩擦阻力只與O型圈的彈性反力及摩擦系數(shù)有關。圖2（b）所示為O型圈在較窄軸基環(huán)槽寬度下的裝配狀況，此時O型圈本體同時受到上下左右的封迫壓縮，被向內(nèi)擠壓的材料只能向位置狹小的四角脹起釋放內(nèi)部應力，由于向四角脹起變形產(chǎn)生的內(nèi)應力更大，所以密封四邊擠壓的安裝摩擦阻力，不僅與O型圈的材料彈性反作用力及摩擦系數(shù)有關，而且還受到左右兩側的擠壓而產(chǎn)生增強的內(nèi)應力作用，這種過度變形產(chǎn)生的內(nèi)應力會使O型圈由于膨脹力太大而過硬，結果造成退讓性變差和摩擦阻力變大，會造成難以安裝的狀況，特別地如果遇上比較極端的情況，O型圈也可能由于表面過硬而在安裝過程中被孔口尖角剪切破壞、或者因過度擠壓使材料內(nèi)部破壞，從而導致永久性變形并失去彈性。

圖2（c）所示為正常軸基結構參數(shù)的O型圈在使用環(huán)境下其密封行為的表現(xiàn)示意圖，很顯然密封O型圈受到水壓的推力作用而向非受壓端移動，并依靠軸基槽的側壁止推而限位，此時軸基槽的側壁高度符合規(guī)范并足以包納O型圈本體側推支撐接觸面。如圖2（d）所示為軸基側壁高度不夠時O型圈的行為表現(xiàn)示意圖，此時由于軸基側壁有效高度不足而難以包納O型圈本體的側推支撐接觸面，結果造成O型圈本體局部被擠入密封間隙內(nèi)而發(fā)生咬傷損壞。

圖2 水龍頭軸基O型圈安裝狀態(tài)分析

2軸基O型圈常見失效原因分析

2.1 材料原因：材質不達標致使失效

不同的O型圈生產(chǎn)廠家其產(chǎn)品質量存在著較大的差異，主要表現(xiàn)在材質不達標以及由此造成的硬度不穩(wěn)定、彈性不足易出現(xiàn)永久性變形等[3]，未到正常壽命即出現(xiàn)擠邊破損、硬化變形、過度磨損等而致使密封失效。

2.2 零件結構不合理致使失效

如圖3（a）所示，由于裝配管軸的座孔邊緣未設計有倒角而形成銳角尖峰，由此在裝配導入管軸時極易對O型圈產(chǎn)生剪切作用而造成膠圈表面損傷，直至影響O型圈的使用壽命。

2.3 緊定側隙原因致使失效

如圖3（b）所示某些結構的水龍頭產(chǎn)品，其需要在被密封管外柱面配以緊定螺釘作為軸向定位的抓手、或者以防止軸向竄位，當緊定螺釘施力后管軸將在其緊固推力的作用下偏向座孔一側，結果會在緊固螺釘這一側形成較大的側隙，若此時緊定螺釘?shù)木o固位置比較靠近密封位置的話則易造成上述側隙大于O型圈的壓緊密封量，那么將在施力側會產(chǎn)生滲漏失效。

圖3 軸基與O型圈若干裝配結構不協(xié)調實例圖

2.4 膠圈老化原因致使失效

O型圈膠圈的材質無論什么品質，最終都將會出現(xiàn)老化而造成密封失效，即便是在正常使用下管道內(nèi)水壓波動、水流速度、水溫度交替變化等都會對O型圈產(chǎn)生影響，其中又以高水溫是為加快老化速度的最顯著影響因素[4]。

2.5 表面質量不佳致使失效

與O型圈作密封相配合的面應該具有較好的表面質量，包括表面粗造度和硬度，當配合面的表面質量較差時無法形成連續(xù)的和可靠的密封面，一方面會從粗糙的微細線隙中滲漏而失效，另一方面會造成O型圈本體出現(xiàn)損傷而致使失效，極端情況下還會造成軸基及安裝座孔配合面的損傷。

除了上述五種常見失效原因外，O型圈的線徑越細小，其在相同條件下生成的密封面則越窄，受尺寸、表面質量的影響也就越大，可靠性也越差，換言之失效的幾率將大大增加。

3防漏技術對策研究

3.1 保障O型圈材料品質

O型圈所用的彈性材料必須具有較好的耐水、耐油、耐壓性能，亦即耐候性要好。最廣泛使用的是丁晴橡膠以及氟橡膠。O型圈品質可以通過選購業(yè)界口碑好的廠家的產(chǎn)品來得到保障，但與此同時由于O型圈確實存在短期內(nèi)可靠性不易檢驗的情況，所以定位于高中檔衛(wèi)浴產(chǎn)品的企業(yè)或許有必要花費一定的時間和資金對O型圈進行性能與壽命的測試與檢驗。

3.2 保障O型圈與密封環(huán)槽選配合理

如圖4所示，容納O型圈抱軸的部位，即環(huán)形密封槽的形狀及尺寸槽寬W、槽深H的設計尺寸應該依據(jù)工程規(guī)范進行選用。

圖4 水龍頭軸基O型圈密封槽尺寸示意圖

一般龍頭中O型圈是圓柱面旋轉密封，其軸基密封環(huán)槽的結構尺寸可參照表1.

表1 水龍頭軸基O型圈密封槽尺寸規(guī)范/mm

3.3 保障配合副的表面質量得當

一般認為表面質量越高，即粗糙度值越小表面越光滑，密封效果越好。另外，軸基環(huán)槽及座孔表面的硬度越高也越有利提高O型圈的工作可靠性。為此可通過電鍍手段提高管座及軸頸的表面質量。

3.4 保障裝配工藝的合理規(guī)范

在裝配O型圈的過程中，應遵循工藝規(guī)范，比如使用專門的工裝來輔助裝配，在裝配時在O型圈配合處在涂抹潤滑油脂再裝入龍頭密封部位等等，另外要配合必要的檢驗檢測裝置以及合理的檢漏程序。

3.5 保證全部配件符合“三性”要求

無論是O型圈還是軸基管套抑或是座孔等，均需要它們滿足和符合“穩(wěn)定性”、“均勻性”和“一致性”的三性要求，亦即構件的材料性能必須須耐候性好以便能夠長期穩(wěn)定工作，另外工件的各部位性能尤其是各處的表面質量必須保證均勻一致，還有無論制造質量還是裝配質量都要應該做到質量的一致性。

4結論

水龍頭是當下非常普及的水暖器材，其使用范圍和使用頻率非常之廣泛，而水龍頭的軸基O型圈滲水和抱軸不穩(wěn)是十分常見的故障，對顧客的使用體驗有著嚴重負面的影響，故密封性能優(yōu)良始終是中高檔產(chǎn)品的品質標準之一。本文通過剖析現(xiàn)有水龍頭O型圈失效的各種現(xiàn)象和成因，總結了提高水龍頭O型圈和其配伍管套及座孔生產(chǎn)配合質量的途徑，包括提高制作質量與裝配質量的具體措施，對保障水龍頭生產(chǎn)質量的穩(wěn)定性、均勻性和一致性十分有益，為今后進一步改善水龍頭O型圈的防漏效能提供了可資借鑒的依據(jù)。

[1]李忠國，龔烈航.O圈密封的應用及進展回轉壓縮機[J].潤滑與密封，2002（02）：68-70.

[2]毛俐，黃爐平.O型密封圈與密封槽的選配與應用[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，2012（02）：65-71.

[3]王敬華，英霄.淺談O形圈靜密封在液壓元件中的實踐應用[J].液壓啟動與密封，2014（03）：66-68.

[4]黃興濤，鄭煒.淺談O型密封圈在薄壁不銹鋼管連接中的密封性與失效研究[J].給水排水，2015（41）：336-339.

[5]蔡能.淺談O形密封圈用溝槽尺寸設計計算[J].中國制造業(yè)信息化，2006（15）：71-72.

Failure Analysis and Countermeasure Study ofO-ring Seal forWater Tap

ZHANG Han-jun1，LIZhong-cai1，LIU Ji1，HE Yu-ming2，LIXin-mo2
（1.Joden（Jiangmen）Inc，Jiangmen Guangdong 529000，China；2.Wuyi University，Jiangmen Guangdong 529020，China）

The main way to prevent leakage of water tap is to use O-ring seal.Five common failure phenomena and causes of the O-ring seal were analyzesd，including disqualification of material，unreasonable structure，positioning methods，rubber material aging and surface quality.And then some countermeasures are proposed to improve the leak proof performance of the O-ring seal.Finally，these conclusions are helpful to improve the stability，uniformity and consistency of the quality of the water tap.

O-ring seal；leakage；sealing；failure analysis；countermeasure

TB42

A

1672-545X（2016）12-0199-03

2016-09-01

2014年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程-大學生實踐教學基地項目（編號：粵教高函[2014]97）；2015年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程-機械工程應用型本科人才培養(yǎng)示范基地項目（編號：粵教高函〔2015〕133號）；2016廣東省本科高校高等教育教學改革項目（編號：粵教高函〔2016〕236號）

張漢軍（1977-），男，湖北武漢人，本科，主要從事衛(wèi)浴五金產(chǎn)品設計制造；劉繼（1986-），女，安徽蒙城人，本科，主要從事衛(wèi)浴五金產(chǎn)品設計制造；李中才（1981-），男，廣東江門人，大專，主要從事衛(wèi)浴五金產(chǎn)品設計制造；何宇明（1991-），男，廣東江門人，五邑大學機械工程專業(yè)學生；李辛沫（1969-），女，廣西南寧人，研究生，教授，主要研究領域為機電產(chǎn)品設計。