В гидравлических системах, аэрокосмическом оборудовании и даже бытовых водоочистителях наиболее распространёнными эластичными уплотнительными элементами являются кольца O- и X-образного сечения. Хотя оба типа уплотнений являются кольцевыми, существуют значительные различия в механике конструкции, адаптируемости к условиям эксплуатации и видах отказов. В данной статье представлено точное руководство по выбору для инженерного проектирования, основанное на сравнении 8 наборов основных параметров.
1. Различия в конструктивных характеристиках и механизмах герметизации
Особенности O-кольцо X-кольцо (звездчатое кольцо)
Форма поперечного сечения Стандартная круглая Четырехкромочная симметричная Х-образная
Принцип уплотнения: радиальное сжатие создает контактное напряжение. Многолинейный контакт + двойное самоуплотняющееся уплотнение под давлением.
Типичный размер Внутренний диаметр Φ3~500 мм, диаметр проволоки 1~10 мм Внутренний диаметр Φ10~300 мм, диаметр проволоки 2~15 мм
Основные отличия:
Уплотнительное кольцо: деформация сжатия в одной точке, обеспечивающая герметичность (обычно 15–30%);
X-образное кольцо: четыре уплотнительные кромки деформируются независимо друг от друга под давлением, образуя избыточный уплотнительный интерфейс.
2. Сравнение динамических характеристик (на примере материала NBR)
Параметры уплотнительного кольца X-кольца
Сопротивление трению 0,15~0,3 (коэффициент сухого трения) 0,08~0,15 (снижено на 40%~50%)
Противоскручивающая способность. Склонность к спиральному разрушению (отклонение ＞5°). Допускается отклонение ±15° без утечки.
Пусковой крутящий момент Высокий (в значительной степени зависит от сжатия) Уменьшен на 30–60 % (эффект распределения нагрузки за счет многолепесткового уплотнения)
Динамический ресурс 500 000~1 миллион возвратно-поступательных движений 2 миллиона~5 миллионов возвратно-поступательных движений
Инженерная ценность:
Х-образные кольца больше подходят для высокочастотных возвратно-поступательных движений (например, уплотнений штоков поршней цилиндров), что позволяет снизить потребление энергии и увеличить циклы технического обслуживания.
3. Приспособляемость к экстремальным условиям работы
Сценарий. Характеристики уплотнительного кольца. Преимущества X-образного кольца.
Высокое давление (>30 МПа). Легко вдавливается в зазор (требуется стопорное кольцо). Четыре выступа поддерживают и распределяют давление, а способность противостоять выдавливанию увеличивается в 3 раза.
Вакуумное уплотнение Недостаточное сжатие при отскоке приводит к утечке Многоуровневые кромки образуют ступенчатое уплотнение, что улучшает удержание вакуума
Изменение температуры приводит к остаточной деформации сжатия (>20%). Каждая кромка независимо компенсирует тепловое расширение, а скорость деформации составляет <10%.
Вибрационная среда Большие колебания контактного напряжения и легкое ослабление Многокромочный демпфирующий эффект, затухание амплитуды более 50%
Типичные случаи:
В гидравлических приводах космических аппаратов используются Х-образные кольца, которые выдерживают перепады температур от -65 до 150 °C и вибрацию 20G;
В глубоководных клапанах используется комбинация уплотнительного кольца и стопорного кольца из ПТФЭ, способная выдерживать гидростатическое давление 100 МПа.
4. Выбор материалов и экономический анализ
Материал Адаптируемость уплотнительного кольца Адаптируемость Х-образного кольца
Фторкаучук (FKM) Термостойкость -20 ℃ ~ 200 ℃, стоимость 5 ~ 15 йен/шт. Требует более высокой скорости отскока, стоимость 20 ~ 50 йен/шт.
Силиконовый каучук (VMQ) Легко рвется, используйте с осторожностью при динамической герметизации Четырехкромочная структура компенсирует прочность, лучшая применимость
Полиуретан (ПУ) Износостойкий, но низкая стойкость к гидролизу Высокая твердость (90 по Шору А) Более стабильный
Сравнение стоимости:
Стоимость пресс-формы для Х-образного кольца в 2–3 раза выше, чем для О-образного кольца (точная обработка кромки), но разница в цене единицы продукции при массовом производстве может быть снижена до 1,5 раз;
В сценариях высокого давления и длительного срока службы полная стоимость жизненного цикла Х-кольца на 40–60 % ниже.
5. Дерево решений выбора
Предпочтительно использовать уплотнительное кольцо:
Статическая герметизация и давление <15МПа;
Проекты, чувствительные к затратам;
Ограниченное пространство для установки (малый радиальный размер).
Предпочтительны Х-образные кольца:
Динамическая возвратно-поступательная частота > 1 Гц;
Рабочее давление > 20 МПа или гидроудар;
Должен выдерживать разнонаправленную вибрацию или отклонение.
VI. Установка и пункты предотвращения отказов
Ссылки Ключевые элементы управления для уплотнительных колец Специальные требования к Х-кольцам
Конструкция канавки. Соотношение ширины к глубине 1,3–1,5, шероховатость Ra≤0,8 мкм. Увеличьте угол наклона направляющей (15–30 °) для предотвращения переворачивания кромки.
Смазка Силиконовая смазка или фторсодержащая смазка. Необходимо использовать смазку с низкой вязкостью (ISO VG32 или ниже).
Распространенные неисправности: разрыв при экструзии (на долю которого приходится более 60%), неравномерный износ кромки (требуется регулярное положение вращения).
Инновационный процесс:
Уплотнительное кольцо: на поверхность напыляется покрытие MoS₂, коэффициент трения снижается до 0,05;
X-кольцо: выгравированный лазером микротекстурированный масляный резервуар, время удержания смазки увеличивается в 3 раза.
Заключение: от структурных различий к адаптации сцены
Уплотнительные кольца O-типа доминируют в области традиционных уплотнений благодаря простоте и надежности, в то время как Х-образные кольца обеспечивают технологический прорыв в условиях высокого давления и динамики благодаря синергетическому эффекту многокромочных уплотнений. В будущем, с применением топологической оптимизации и интеллектуальных материалов (таких как самовосстанавливающиеся эластомеры), граница между ними станет ещё более размытой, но основное различие между «компрессией с одним интерфейсом» и «многоуровневым избыточным уплотнением» по-прежнему будет определять выбор. Инженерам необходимо внимательно отслеживать пиковое давление, частоту движения и характеристики среды в спектре рабочих условий, чтобы найти оптимальный баланс между стоимостью и надёжностью.
Время публикации: 10 марта 2025 г.