O型橡胶圈密封圈简称O型圈，是一种截面形状为圆形的橡胶圈。O型密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。O型圈有良好的密封性能，既可用于静密封，也可用于动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。它的使用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种介质和各种运动条件的要求。
O型密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。
1、O形圈密封的设计原则
1）压缩率
压缩率W通常用下式表示：
W= (do-h)/do%
式中 do——O形圈在自由状态下的截面直径（mm）
h ——O形圈槽底与被密封表面的距离，即O形圈压缩后的截面高度（mm）。
在选取O形圈的压缩率时，应从如下三个方面考虑：
a.要有足够的密封接触面积
b.摩擦力尽量小
c.尽量避免永久变形。
从以上这些因素不难发现，它们相互之间存在着矛盾。压缩率大就可获得大的接触压力，但是过大的压缩率无疑会增大滑动摩擦力和永久变形。而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O形圈误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此，在选择O形圈的压缩率时，要权衡个方面的因素。一般静密封压缩率大于动密封，但其极值应小于30%(和橡胶材料有关），否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。
O 形圈密封压缩率W的选择应考虑使用条件，静密封或动密封；静密封又可分为径向密封与轴向密封；径向密封（或称圆柱静密封）的泄漏间隙是径向间隙，轴向密封（或称平面静密封）的泄漏间隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于O形圈的内径还是外径又分受内压和外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的静密封，密封介质对O形圈的作用力方向是不同的，所以预压力设计也不同。对于动密封则要区分是往复运动还是旋转运动密封。
1.静密封：圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样，一般取W=10%——15%；平面密封装置取W=15%——30%。
2.对于动密封而言，可以分为三种情况：
a.往复运动密封一般取W=10%——15%。
b.旋转运动密封在选取压缩率时必须要考虑焦耳热效应，一般来说，旋转运动用O形圈的内径要比轴径大3%——5%，外径的压缩率W=3%——8%。
c.低摩擦运动用O形圈，为了减小摩擦阻力，一般均选取较小的压缩率，即 W=5%——8%。此外，还要考虑到介质和温度引起的橡胶材料膨胀。通常在给定的压缩变形之外，允许的最大膨胀率为15%，超过这一范围说明材料选用不合适，应改用其他材料的O形圈，或对给定的压缩变形率予以修正。压缩变形的具体数值，一般情况下，各国都根据自己的使用经验制订出标准或给出推荐值。
2）拉伸量
O形圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率不一样，拉伸量的大小对O形圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。拉伸量大不但会导致O形圈安装困难，同时也会因截面直径do发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量α可用下式表示：
α=(d+do)/（d1+do）
式中
d——轴径（mm）；
d1——O形圈的内径（mm）；
do——O形圈的截面直径（mm）。
3）接触宽度
O形圈装入密封沟槽后，其横截面产生压缩变形。变形后的宽度及其与轴的接触宽度都和O形圈的密封性能和使用寿命有关，其值过小会使密封性受到影响；过大则增加摩擦，产生摩擦热，影响O形圈的寿命。
O形圈变形后的宽度BO（mm）与O形圈的压缩率W和截面直径dO有关，可用下式计算
BO={1/(1-W)-0.6W}dO （W取10%——40%）
O形圈与轴的接触面宽度b（mm）也取决于W和dO：
b=( 4W2+0.34W+0.31)dO ( W取10%——40%)
对摩擦力限制较高的O形圈密封，如气动密封、液压伺服控制元件密封，可据此估算摩擦力。
2、O形圈的设计
绝大多数的O形圈是用合成橡胶材料制成的。合成橡胶O形圈的尺寸由国际标准（ISO3601/1）国家标准和组织标准等确定。如有些国家将O形圈的尺寸系列分为P系列（运动用）、G系列（固定用）、V系列（真空用）和ISO系列（一般工业用）四个系列组成。
我国的O形圈内径、截面直径尺寸及公差由GB/T34542.1—1992规定。
密封装置的密封可靠性主要取决于O形圈的压缩量。在一般的情况下，这种压缩量都是很小的，只有十几微米到几十微米，这就要求O形圈的尺寸公差具有很高的精度。因此，O形圈需要采用高精度的模具进行加工，同时必须准确地掌握作为设计依据的O形圈材质的收缩率。一般只能通过实测，来获得O形圈的收缩率。值得注意的是：
1）O形圈截面收缩率很小，一般不予考虑。只有在其截面直径大于8mm的情况下，才予以考虑。
2）在配方和工艺条件一定的情况下，O形圈的收缩率会随着材质硬度的提高而减小，也会随着其内径的减小而提高。具有中等硬度（HS75±5），以及中等大小（内径d=40——70mm）的O形圈，其内径的收缩率大约为1.5%。
一般，在静密封场合，可选择截面较小的密封圈；在动密封场合，应选择截面较大的密封圈。通常，压力较高和间隙较大时，应选择较高硬度的材料；也可以选择一般硬度的材料，再安装一个聚四氟乙烯挡圈。
3、O形密封圈密封沟槽设计
O形密封圈的压缩量与拉伸量是由密封沟槽的尺寸来保证的，O形密封圈选定后，其压缩量、拉伸量及其工作状态由沟槽决定，所以，沟槽设计与选择对密封装置的密封性和使用寿命的影响很大，沟槽设计是O形圈密封设计的主要内容。
密封沟槽设计包括确定沟槽的形状、尺寸、精度和表面粗糙等，对动密封，还有确定相对运动间隙。沟槽设计原则是：加工容易，尺寸合理，精度容易保证，O形圈装拆较为方便。常见的槽形为矩形槽。
1）沟槽形状
矩形沟槽是液压气动用O形密封圈使用最多的沟槽形状。这种沟槽的优点是加工容易，便于保证O形密封圈具有必要的压缩量。除矩形沟槽外，还有V形、半圆形、燕尾形和三角形等型式的沟槽。
三角形沟槽截面形状是以M为直角边的等边直角三角形。截面积大约为O形圈截面面积的1.05——1.10倍。三角形沟槽式密封装置在英国、美国、日本等国家均有应用。设计的原则是O形密封圈内径的公称尺寸相等。
密封沟槽即可开在轴上，也可开在孔上；轴向密封则沟槽开在平面上。
2）槽宽的设计
密封沟槽的尺寸参数取决于O形密封圈的尺寸参数。
沟槽尺寸可按体积计算，通常要求矩形沟槽的尺寸比O形圈的体积大15%左右。这是因为：
a.O形圈装入沟槽后，承受3%——30%的压缩，而橡胶材料本身是不可压缩的，所以应有容纳O形圈变形部分的空间。
b.处于油液中的O形圈，除了存在由于油液的浸泡而可能引起的橡胶材料的膨胀外，还有可能存在随着液体工作温度的增高，而引起橡胶材料的膨胀现象。所以沟槽必须留有一定的余量。
c.在运动状态下，能适应O形圈可能产生的轻微的滚动现象。一般认为，装配后的O形密封圈与槽壁之间留有适当的间隙是必要的。但是这个间隙不能过大，否则在交变压力的作用下就会变成有害的“游隙”，而增加O形圈的磨损。
槽不宜太窄，如果O形圈截面填满了槽的截面，那么运动时的摩擦阻力将会特别大，O形圈无法滚动，同时引起严重的磨损。槽也不宜过宽，因为槽过宽时O形圈的游动范围很大，也容易磨损。特别是静密封时，如果工作压力是脉动的，那么静密封就不会静，它将在不适宜的宽槽内以同样的脉动频率游动，出现异常磨损，使O形圈很快失效。
O形圈的截面面积至少应占矩形槽截面面积的85%，槽宽必须大于O形圈压缩变形后的最大直径。在许多场合下保证取槽宽为O形圈截面直径的1.1——1.5倍。当内压很高时，就必须使用挡圈，这时槽宽也应相应加大。
工作方式不同，径向密封或轴向密封，动密封或静密封，液压密封或气动密封，密封沟槽尺寸不同。我国O形圈密封圈与密封沟槽尺寸系列根据国家标准GB/T3452.3—1988），也可根据对根据对密封圈压缩量与拉伸量的要求计算设计沟槽尺寸。
3）槽深的设计
沟槽的深度主要取决于O形密封圈所要求的压缩率，沟槽的深度加上间隙，至少必须小于自由状态下的O形圈截面直径，以保证密封所需的O形圈压缩的变形量。
O形圈压缩变形量由O形圈内径处的压缩变形量δ’ 和外径处的压缩变形量δ’’ 组成，即 δ=δ’+δ’’。当δ’=δ’’时，O形圈的截面中心与槽的截面中心重合，两中心圆的圆周相等，说明O形圈安装时未受到拉伸。如果δ’>δ’’，则O形圈截面中心圆的周长小于槽中心圆的周长，说明O形圈以拉伸状态装在槽内；若δ’<δ’’，则O形圈截面中心圆的周长大于槽的截面中心圆周长，此时，O形圈受周向压缩，拆卸时，O形圈会出现弹跳现象。
设计槽深时，应首先确定O形圈的使用方式，然后再去选定合理的压缩变形率。
4）槽口及槽底圆角的设计
沟槽的外边口处的圆角是为了防止O形圈装配时刮伤而设计的。它一般采用较小的圆角半径，即r=0.1——0.2mm。这样可以避免该处形成锋利的刃口，O形圈也不敢发生间隙挤出，并能使挡圈安放稳定。
沟槽槽底的圆角主要是为了避免该处产生应力集中设计的。圆角半径的取值，动密封沟槽可取R=0.3——1mm，静密封沟槽可取其O形圈截面直径的一半，即R=d/2。
5）间隙
往复运动的活塞与缸壁之间必须有间隙，其大小与介质工作压力和O形圈材料的硬度有关。间隙太小，制造、加工困难；间隙太大，O形圈会被挤入间隙而损坏。一般内压越大，间隙越小；O形圈材料硬度越大，间隙可放大。当间隙值在曲线的左下方时，将不发生间隙咬伤即“挤出”现象。
间隙的给定数值与零件的制造精度有很大关系。
6）槽壁粗糙度
密封沟槽的表面粗糙度，直接影响着O形圈的密封性和沟槽的工艺性。静密封用O形圈工作过程中不运动，所以槽壁的粗糙度用Ra=6.3——3.2μm，对于往复运动用O形圈，因常在槽内滚动，槽壁与槽底的粗糙程度应到低一些，要求在Ra=1.60μm以下。旋转运动用的O形圈一般在沟槽内是静止的，要求轴的粗糙度Ra=0.40μm或者抛光。
4、挡圈
着压力的增加，O形圈与挡圈互相挤压。由于它们是弹性体，两者同时发生变形，此变形首先向它们的上下两角扩展，直到压力超过10.5MPa。这种变形一直在两者之间进行，而不致使挡圈发生“挤出”现象。根据挡圈材料和结构形式的不同，其承压能力提高的程度也不同。当压力足够大时，挡圈也会产生“挤出”现象。
O形圈使用挡圈后，工作压力可以大大提高。静密封压力能提高到200——700MPa；动密封压力也能提高到40MPa。挡圈还有助于O形圈保持良好的润滑。如果单向受压，则在承受侧用一个挡圈；如果双向受压则用两个挡圈。对于静密封，内压在32MPa以下不用挡圈，超过此值用挡圈。使用挡圈后虽可防止O形圈发生“间隙咬伤”现象，但会增加密封装置的摩擦阻力。
挡圈的材料有皮革、硬橡胶和聚四氟乙烯等，也有尼龙6和尼龙1010的。而以聚四氟乙烯挡圈最为常用。聚四氟乙烯作为挡圈材料有下列有点。
1）工作精度高。
2）耐化学品性能优异，可用于几乎所有的介质。
3）无硬化破损现象。
4）使用温度范围宽。
5）摩擦力小。
6）无吸水性。
7）在177℃温度下不发生老化等。
5、O型圈的使用安装与泄漏
1）O型圈的使用
O型圈在多种液压、气动件管接头、圆筒面及法兰面等结合处被广泛使用。对于在运动过程中使用的O型圈，当工作压力大于9.8Mpa时，如单向受压，就在O型圈受压力方向的另一侧设置一个挡圈；如双向受压，则在O型圈两侧各放一个挡圈。为了减小摩擦力，也可采用楔型挡圈。当压力液体从左方施加作用时，右方挡圈被推起，左方挡圈不与被密封表面接触，因此摩擦力减小。总的来说，采用挡圈会增大密封装置的摩擦力，而楔型挡圈对减小这种摩擦力具有十分重要的意义。对于固定用的O型圈，当工作压力大于32Mpa时，也需要使用挡圈。
2）O型圈的安装
O型圈的安装质量对其密封性和使用寿命均有重要的影响。泄漏问题往往是因为安装不良而造成的。
安装过程中不允许出现O型圈被划伤和位置安装不正，以及O型圈被扭曲等情况。装配前，密封沟槽、密封配合面必须严格清洗；同时对O型圈装配中要通过的表面涂敷润滑脂。
为了防止O型圈在安装时被尖角和螺纹等锐边切伤或划伤，应在安装的轴端和孔端留有15º——30º的引入角。当O型圈需通过外螺纹时，应使用专用的薄壁金属导套，套住外螺纹；如果O型圈需通过孔口时，应使孔口倒成相应的斜角形状，以防O型圈被划伤。坡口的斜角一般为a=120º——140º
文章来源： 机械前沿， 橡胶技术李秀权工作室
