CN102619980A - 矩形环与o形环自紧密结构 - Google Patents

Abstract

一种自紧密矩形环密封和自紧密O形环口密封、杆密封及塞密封，旨在彻底颠覆黑白颠倒的现有技术的垫压紧密封和O形环自紧密封。对于金属和非金属矩形环，环截面按“体抗压面积＞端抗压面积”结构以便安装同时致环端面充分屈服变形和环体充分弹性变形，环腔于中部点紧密接触以便受压便致密封变形；对于无芯橡胶O形环、有芯软金属/非金属O形环和有软涂镀层金属O形/C形环，腔按“环流体挤压角+自由挤出角+圆弧过渡”结构，环截面圆与腔内切圆按同心结构，环壁厚按受压便有致密封变形但不能有影响环复位的塑性变形结构；这样，一切密封的最小必须密封应力y均小于0.2MPa，同规格环腔可选用同规格的不同结构的各种环。

Description

矩形环与O形环自紧密结构

技术领域

本发明属流体动力传输与流体介质输送系统的密封技术领域，涉及杆(/孔配合)密封和塞(/缸配合)密封及其对应的孔和缸的口(/盖对接)密封，特别涉及符合终结现有垫压紧密技术和现有O形环自紧密技术的(本发明人提出的)徐氏密封理论的矩形环与O形环自紧密结构，并伴随对徐氏密封理论的进一步披露。

背景技术

密封，是致表面的无漏对接或无漏配合，因此，按密封面型，可分为端面(对接)密封和柱面(配合)密封。实现端面的自紧密封，如图1a所示，可使用O形环(Φd_1o)，也可使用矩形环(Φd_1r)。O形环的柱面自紧密封，如图1b所示，可分为杆(/孔)密封(Φd₁₂)和塞(/缸)密封(Φd₁₃)。O形环的端面自紧密封(Φd_1o)，如图1c所示，可分别用某种O形环密封(Φd₁₁～Φd₁₃)替代，因此，如果将标注Фd₁₂和Φd₁₃的替代密封分别视作静止杆(/孔)密封和塞(/缸)密封，则无疑可将标注Φd₁₁的替代密封视作孔和缸的口(/盖)密封。鉴于图1d的螺口密封与图1c的口密封相同，鉴于原始O形环面密封(Φd_1o)的规格系列参数及其填充特征(可)与口密封相同，因此，表面的自紧密对接或配合可按矩形环自紧密封和O形环口密封(Φd₁₁)、杆密封(Φd₁₂)及塞密封(Φd₁₃)来统一研究处理。

现有技术的法兰，如图2所示，通过螺栓实施紧固连接，通过两个法兰面间的平垫压紧实现密封连接，不是图1所示的标注Φd_1r的矩形环的自紧密连接。如图3所示，压紧密连接在紧固前，法兰无弯曲，垫与法兰面的接触宽度为b；在紧固后，法兰弯曲致接触宽度b减小；在加流体压力后，法兰进一步弯曲致接触宽度b再减小；也就是说，总体上，对于现有技术法兰，安装紧固是致垫加载(致其压缩应力增加)，流体压力是致垫卸载(致其压缩应力减小)。所以，现有技术的法兰连接或垫的压紧密连接有如下四个不可克服的致命问题：

●无论怎样设计，平垫压紧密封都是泄漏的

密封，是致密封面变形至填平补齐凸凹不平的接触面的行为；泄漏，是流体在接触面上输出一个接触分离力极限等于“接触面积x流体压强”的过程；因此，致垫无漏压紧密连接的力学条件是，既能致密封接触至充分变形接触，又能致密封接触至充分抗流体渗穿的紧密接触。软而无弹性的垫材(如油脂)有致密封面易变形至充分变形接触的条件，但却没有致密封面被支撑至充分紧密接触的条件，硬而富弹的垫材则反之。现有技术无致其密封面达到又软又强的结构理念和方法以至于密封面最接近又软又强结构理念的盘绕垫和齿垫也无法致其密封面下盘绕带和齿达到充分强的地步，因此，无论怎样设计的垫压紧密结构，在某个压力温度条件下，都是泄漏的。

●无论怎样安装，平垫压紧密封都是泄漏的

密封需要密封面屈服至填平补齐表面粗糙度所致的接触面的凸凹不平，而法兰面的经济加工表面粗糙度可不低于3.2μm；也就是说，法兰密封垫的安装紧固所致的周向均匀压缩程度不应超过μm级，否则再大的紧固力都是无效的。因此，如图3所示，即使对于密封面最接近又软又强结构理念的盘绕垫和齿垫，无论采用何种安装紧固力矩控制方法，也都不可能致垫的周向紧固达到μm级均匀程度，或无论怎样安装，垫的压紧密封结构都是泄漏的。

●流体压力总是致平垫压紧密封性下降

流体压力，无论大小，作用在相当于法兰端盖上的等于“垫内堂圆面积x流体压强”的力都是致垫的压缩应力即密封性下降，作用在垫内柱面上的力有致垫被吹出的风险。为了遏制垫被吹出，现有技术标准规定法兰面粗糙度须是一个3.2μm～6.2μm的非正常值，与对接面越精密、越易密封和加工越精密、越好的普通技术理念相左以至于有额外的泄漏风险。

●垫材冷流总是致平垫压紧密性下降

任何密封材料，在一定温度条件下，都不可避免地会冷流致垫压缩应力即密封性下降。

也就是说，按徐氏密封理论，现有技术的垫压紧密封原本是一个泄漏装置。

按O形环密封技术标准ISO 3601-2008，O形环对其容腔的填充百分比不得大于85％，以至于端面密封O形环只轴向受压安装(因而叫轴向密封)，杆/塞密封O形环只径向受压安装(因而叫径向密封)。也就是说，现有技术O形环是两侧受压安装，明确反对四侧触壁安装。

按自紧密所需的动力要求，即按流体的密封挤压面积大于泄漏流体的挤压面积设计，如图4a所示，O形环应安装至r_a≥0.75r_u；按最低必须紧密接触安装要求，即按安装至抗大气压力渗穿密封接触面的程度，如图4b所示，O形环应安装至r_a≤0.5r_u；也就是说，按徐氏密封理论，现有O形环密封技术具有不可调和的结构矛盾。现有技术O形环，一般安装压缩至r_a≥0.7～0.85r_u，按照徐氏公式计算，有0.14～0.12MPa的安装接触应力，不及最低必须紧密接触所需的0.2MPa安装应力；因此，鉴于大约1～4的静摩擦系数和3～5倍于流体密封作用面积的总密封接触面积，对于安装应力达到0.14～0.12MPa的O形环，如图4c所示，大致需要大于0.5～1.5MPa的流体压力才能致其先移动至触第3壁后而变形至充分紧密接触；也就是说，按徐氏密封理论，低压系统和普通压力系统启停阶段的现有技术O形环密封都是不密封的；然而，现有技术却一直把O形环当作最好的低压密封手段。对于普通压力和高压系统的O形环密封，如图4d所示，在O形环弹性下降后或固性增加后，都是一旦泄漏便不可止的，因为按照徐氏密封理论，泄漏不仅致泄漏挤压力大于密封挤压力而且还致流体作用面曲率半径由r_a减小至r_x而致受压面的更抗流体压力或致O形环要求更大的密封变形动力。

橡胶，其各向相同的软而不可压缩和富弹性只能致其O形环受压便只有一个升高的均匀内压力，因此，O形环的自由表面只能以相同圆弧与其腔壁平滑过渡。任何人都可通过观察受夹O形环的截面或绷伸O形环的外表面，观察到受压O形环的自由面都是圆弧面。然而，原始O形环密封专利US 2180795和现有技术标准ISO 3601-2008却认为，两侧受压安装的O形环截面形状是椭圆；也就是说，现有技术根本不知O形环的密封机理，乃至无法将O形环的极限工作压力与其直径和材料强度关联起来规定O形环密封的结构、制造和安装。

接触面强度和弹性越强的密封元越难至充分变形接触，接触面支撑强度和弹性越强的密封元则越易至充分变形接触，因此，其接触弹性模量(E_c)/支撑弹性模量(E_s)≡1的橡胶元最难至密封，E_c/E_s＝0的油脂元最易至密封，其它可屈服致0＜E_c/E_s＜1的密封元比橡胶元更易至密封；也就是说，按照徐氏密封理论，橡胶密封可能是最难至密封的，金属密封可能是易至密封的。然而，现有技术却把最难至密封的橡胶当作是最易至密封的。

苟-焦效应(Gough-Joule Effect)告知，绷伸着的橡胶受热时其拉伸方向不是变长而是变短，其抗拉强度不是降低而是增加。因此，根据苟-焦效应，处在绷伸安装状态的O形环，加上夜里低温冷缩所致的进一步绷伸，有可能致其早上开机温升中再进一步收缩而致密封失效。

挑战号航天飞机的助推火箭体，如图5所示，由大约3.7米直径的11级钢筒组成，通过叉口/叉舌/叉销活接结构实现机械连接，通过两级O形环塞密封实现密封连接，通过销的内爆炸外喷致耗尽末级分离；其O形环是涂脂和绷伸在槽中的，在空难发射时，天气比此前的最冷发射温度还低8.3℃，便有更多及时冷缩绷伸；因此，点火后的温升中便有更多及时苟-焦热收缩；也就是说，O形环的安装绷伸收缩、最冷发射所致的更多冷收缩和苟-焦热收缩，加上燃烧气压所致的叉舌和叉口间的分离变形，便致O形环于点火后过度缩离密封接触面(叉舌面)而致密封油脂的吹出泄漏；或者说，根据徐氏密封理论和事故调查报告(Report of thePRESIDENTIAL COMMISSION on the Space Shuttle Challenger Accident)，挑战号航天飞机升空73秒后起火爆炸事故是由不耐天气冷缩和苟-焦热缩的O形环的两侧受压安装结构和涂脂所致。然而，事故调查报告却既未关注橡胶的苟-焦效应影响也未关注O形环的涂脂影响以至于错误地认定，事故是由有可能出现的O形环的四侧触壁安装极限所致的。

所以，现有技术O形环密封是一个被彻底误解的结构，并有泄漏致重大事故的风险。

发明内容

本发明的目的是根据如下徐氏密封理论(要点)提出新的矩形环与O形环自紧密封，把黑白颠倒的现有垫压紧密封技术和现有O形环自紧密技术颠倒过来。

●密封元的结构要求与参数(最小必须密封应力y与密封难至系数m₁)

密封是加载密封接触至充分变形接触后再至充分紧密接触(即先至充分填平补齐凸凹不平的变形接触、后至充分抗流体渗穿变形接触)的结果，而渗穿(泄漏)则是流体在接触面上输出一个接触分离力极限等于“接触面积x流体压强”的过程，因此，抗大气压力渗穿充分变形接触所需的最小密封应力是最小必须密封应力y(等于大气压力温度下卸载密封接触至脱离充分紧密接触时的接触应力)，达到最小必须密封应力y时的接触叫最低必须紧密接触；为至充分变形接触，需要加载密封接触面至充分屈服；为至充分紧密接触到可充分抗流体压力卸载和抗压力温度循环卸载的程度，需要加载密封接触面支撑至充分弹性变形；所以，如徐氏法兰密封元(图6)的参数曲线图7所示，在大气压力温度下，加载密封接触至充分变形接触时的应力是密封开始应力G_b，加载密封接触支撑体至充分弹性变形时的安装应力S_a应逼近支撑屈服强度极限S_e值，卸载密封接触至脱离充分紧密接触触时的应力是最小必须密封应力y，卸载密封接触至脱离充分变形接触时的应力是密封终止应力G_s，而且y＝y_e+y_a，其中y_e是沿卸载线从无变形至充分变形接触的变形加载分量，y_a＝0.1MPa是从充分变形接触至充分抗大气渗穿的最低必须紧密接触时的紧密加载分量。

鉴于接触面强度和弹性越强的密封元越难至或越难持充分变形接触，而接触面支撑强度和弹性越强的密封元则越易至或越易持充分变形接触，因此，其“接触弹性模量(E_c)/支撑弹性模量(E_s)”值越大的密封元，越难至或越难持密封状态；也就是说，m₁＝E_c/E_s是密封元的密封难至系数，值越大，密封元的G_s和y值同时越大。如图8所示，密封元的接触弹性模量(E_c)可是材料屈服后的残余弹性模量(Δ_σ/Δ_ε)，密封元的支撑弹性模量(E_s)可是未屈服材料的弹性模量(Δ_σ/Δ_ε)，弹性体因不能致其屈服而始终有E_c＝E_s。

鉴于橡胶的E_c≡E_s而致其密封元的m₁＝1，油脂的屈服强度E_c＝0而致其密封元的m₁＝0，其它一切密封元均可通过表面弱化层或镀涂层确保其E_c＜E_s而致1＞m₁＞0，因此，橡胶密封元应是最难至密封的，油脂密封元是最易至密封的，其它一切密封元应比橡胶元易至而比油脂元难至密封，或者说，其它一切密封元的G_s和y的值均应小于橡胶密封元而大于油脂密封元的相关值。

由“油脂可在大气压力温度下轻易变形至任意形状后不恢复”的事实可知，自由油脂体内压力或油脂的弹性变形强度σ_u0.1＝0，即致油脂元至充分变形接触或至密封开始时的应力G_b等于致油脂元至脱离充分变形接触或至密封终止时的应力G_s并等于0，也就是说，致油脂元充分变形所需的变形加载分量y_e＝0；由“橡胶可在大气压力温度下轻易变形后恢复”的事实可知，自由橡胶体内压力或橡胶的弹性变形强度σ_u0.1＝0.1MPa，即致橡胶元至充分变形接触或至密封开始时的应力G_b等于致橡胶元至脱离充分变形接触或至密封终止时的应力G_s并等于0.1MPa，也就是说，致橡胶元充分变形所需的变形加载分量y_e＝0.1MPa；因此，对一切合格密封元，其密封终止应力下限G_smin＝0(等于油脂元的密封开始应力)，其密封终止应力上限G_smax＝0.1MPa(等于橡胶元的密封开始应力)，其最小必须密封应力下限y_min＝0.1MPa(等于油脂元的最小必须密封应力)，其最小必须密封应力上限y_max＝0.2MPa(等于橡胶元的最小必须密封应力)，而且G_smax-G_smin＝y_max-y_min＝y-G_s＝0.1MPa(标准大气压力)；或者说，凡是相关应力值超出该范围的密封元皆为不合格。

充分泄漏，是致密封环内、外水压相等或是致密封接触面上压力至大气压力。鉴于泄漏前的接触分离力因水压作用面积渐大而渐大、泄漏后的接触分离力因水压渐小而渐小，因此，只要接触紧固力足够大于水压对接触的极限分离力，密封接触永远不会被水压卸载至脱离充分紧密接触，即使被瞬间干扰力分开，也会于瞬间泄漏后即刻恢复。因此，在接触被分离至分离力达到“接触面积x水压压强”极限瞬间或被分离至充分泄漏瞬间或被分离至接触面上压力至大气压力瞬间，如果接触紧固中还有一份抗大气分开接触的接触应力，那么，密封接触就绝对不会被分离至脱离充分紧密接触而泄漏；或者说，抗大气渗穿接触所需的接触应力无疑是密封所需的最小必须密封应力y，或者说，接触应力不小于y的密封是绝对不会漏的，或者说，泄漏仅发生在密封接触应力小于y时，或者说，一切密封元必须结构至y≤0.2MPa。

所以，如图7所示，一般密封元可结构至也应结构至其密封难至系数m₁＝E_c/E_s＜1或最小必须密封应力y＜0.2MPa；或者说，在理论上，密封接触面应是软而无弹性的，密封接触面的支撑体应是强而富弹性的，并应安装至密封面充分塑性变形和至支撑体充分弹性变形，因而对软而最富弹性的橡胶密封元和强而最无弹性的钢密封元还应特别关注。

●密封连接的总必须紧固件载荷F_n(密封维持或抗干扰系数m₂)

根据最小必须密封应力y的含义，如果定义m₂＝结构的“密封作用力(F_s)/去密封作用力(F_u)”为结构的密封维持系数或抗干扰系数，其中F_s是能致接触紧密的紧固力或流体作用力，F_u是能致接触分开的极限力(＝接触面积x流体压强)，则压紧密结构维持不漏的条件是：

(F_s-F_u)≥yA_u→(m₂PA_u-PA_u)≥yA_u→m₂≥(1+y/P)；

自紧密结构维持不漏的条件是：

(F_s-F_u)≥yA_u→(PA_s-PA_u)≥yA_u→m₂＝A_s/A_u≥(1+y/P)；

其中y是最小必须密封应力，P是流体压力，A_s是自紧密环的流体压力(P)作用面积，A_u是密封元的密封接触面积。

鉴于y ≤0.2MPa，因此，如果将额定压力P_n≤1MPa的结构一律按P_n＝1MPa设计，则一切密封结构，无论是压紧密封还是自紧密封，其达到抗连接体强度极限压力(P_b＝4P_n)干扰程度的条件皆是，其决定密封作用力(F_s)的密封维持系数m₂＞(1+y/P_b)＝(1+0.2/4)＝1。也就是说，一切密封连接的总必须紧固件载荷F_n＝nP_nd²(P_n是额定压力，d是密封环外径)。

●材料的泊松变形致密封机理与泊松变形补偿及抵消

自紧密封的实质，如图9所示，是密封环(02)将其内柱面上的流体压力P如数转换为其端面上的密封应力S，即按S＝P正交传递压力，因此，具充分液性的材料可简单用作自紧密环。

对于普通物质，在其y向受压变短时，其非受压的x和z两向将分别变长，其泊松比是其非受压与受压方向的正交应变比μ＝ε_x/ε_y＝ε_z/ε_y。液体各向相同传递压力的特性源于其体积不可压缩的可流动性；由物质的体积模数K＝E/[3(1-2μ)]公式可知，泊松比越接近0.5的物质的不可压缩性越大到接近无穷大，而纯液体的泊松比μ＝0.5，普通物质的泊松比大于0小于0.5；因此，可以说，泊松比μ是物质的液性指数或不可压缩性指数，或泊松比值μ越大到接近0.5的物质越接近有充分液性；所以，一切泊松比值接近0.5并可被流体压变形的材料，如橡胶、PTFE等塑料、铅、黄金等，都可简单用作自紧密封环。

既然自紧密封的实质是致密封环如数正交传递压力，并且是由材料的泊松比(正交应变比)是否等于0.5决定的，因此，如图10所示，一切可被流体压变形的固体材料，无论其泊松比值比0.5小多少，都可通过一个液性补偿角θ_l把其正交应变比补偿到0.5而用作自紧密封环。换种角度看，所谓自紧密封环的正交变形补偿，不就是等于把体积可压缩的密封环由大空间压入小空间而使其拥有液体般的不可压缩性和如数正交压力传递性吗！

如图11所示，对于与其缚腔(Φd₂′)有径向间隙(C)的自紧密封环(02)，流体压力下的环周增长和环高度减小的泊松变形将致环端部脱离密封接触。实际上，对于有液性的密封环，只有其径向和轴向接触同时无间隙时，才能及时依托其不可压缩性而正交如数传递压力或自激密封。然而，环的制造误差和材料的热胀冷缩系数差，往往会致环径向接触有间隙，因此，对有液性的自密封环还需要一个径向接触补偿角θ_c，以及时抵消间隙所致的与泊松比值成正比的受压正交变形。此外，泊松比值是蠕变终结时的总正交变形比，也需滞后补偿角。

材质的泊松变形补偿或液性补偿，是旨在补偿环的径向接触无间隙时由泊松比值不足0.5所致的环高的变形增量的不足；径向接触补偿，是旨在抵消环的径向接触有间隙时由间隙所致的环高随泊松比值成正比地减少。也就是说，密封环的液性补偿和接触补偿都是必须的，而且都是致流体压力下的环高变形增加。鉴于密封材料的泊松比大于0小于0.5，因此，如果其液性补偿统一按0补偿到0.5，其接触补偿统一按0.5补偿到0，则每种材料都有泊松比值变化极限值(0.5)相同决定的充分液性补偿角θ_l和充分接触补偿角θ_c，并可统称为基本泊松补偿角θ_e：

tgθ_e＝Δ_h/Δ_r

＝(Δ_h/h)/(Δ_r/h)

＝[(Δ_h/h)]/[(Δ_r/r)/(h/r)]

＝[(h/r)(Δ_h/h)]/[(Δ_r/r)]

＝[(h/r)][(Δ_h/h)/(Δ_r/r)]

＝[(h/r)][(Δ_h/h)/(2nΔ_r/2nr)]

＝[(h/r)][(ε_h)/(ε_c)]

＝[(h/r)][μ]

tgθ_e＝(μh)/r＝h/d(μ＝0.5时)

其中ε_h，密封环高度应变

ε_c，密封环内周长应变

h，密封料环高度

d＝2r，密封料环内径

μ＝ε_h/ε_c，泊松比定义

μ＝0.5，泊松比值变化极限。

密封材质的基本泊松补偿角θ_e，涉及料体受压变形，无刚体楔角的力放大功能，因此，无论再大，所改变的仅是自紧密环达到正交变形比值极限(0.5)的时间而不是极限值，或至多是将密封环的正交变形比(μ)由0补偿到0.5或由0.5抵消到0，或至多是消除环的正交变形比(μ)值的滞后性，因此，在不顾材料温度系数差的影响时，一切材料的自紧密环，无论其材质实际泊松比值多大，都可用一个比基本泊松补偿角θ_e更大的角度θ_x来作其液性补偿角θ_/或液性抵消角θ_c。

●O形环的流体渗透致密封机理与结构

橡胶，其泊松比值逼近0.5，是具有充分液性的弱固体；因此，在结构上，橡胶O形环是一环装满液体的薄壁管，在容腔中无论怎样受腔壁和流体压缩，“管内”只能有一个与外部抗衡的压力，致“管壁”不是受纯压缩就是受纯拉伸，以至于其流体挤压面和其自由挤出面只能分别以不同的等圆弧与容腔壁相切过渡。如果将橡胶O形环的弱固性和强液性分别视为无限薄壁O形金属环管和纯液体(参见图12a)，则根据薄壁管的强度公式(P＝σt/r)可知，受压变形O形环的“内部压力(P_x)x自由挤出面半径(r_x)”＝σ_kt＝常数，因为同一个O形环的假想管材强度(σ_k)和壁厚(t＝kr_u)值是不变的；也就是说，

P_xr_x＝P_ur_u或P_x＝P_ur_u/r_x

其中P_x受压O形环的内部压力

P_u未受压O形环的内部压力

r_x受压O形环的自由挤出面半径

r_u未受压O形环的自由挤出面半径。

鉴于受压O形环的外压力总是微大于内压力的，因此，根据“橡胶可在大气压力温度下轻易变形后恢复”的事实可知，其弹性所致的未安装橡胶O形环的内压力P_u0.1＝标准大气压(0.1MPa)，安装中的橡胶O形环的密封应力S_a或内压力P_a＝P_u0.1r_u/r_a＝0.1r_u/r_a(MPa)。

鉴于假想管壁厚t＝kr_u趋于无穷小，因此，根据假想管截面与实际截面的抗拉能力相等的原则，即根据(2nr_u·kr_u·σ_k)＝(nr_u ²σ_b)便可知，

2kσ_k＝σ_b

未安装O形环“管”可耐的极限压力

P_um＝σ_k(kr_u/r_u)＝kσ_k＝0.5σ_b

工作O形环“管”可耐的极限压力

P_m＝0.5σ_br_u/r_e

其中r_e是O形环的间隙挤出弧半径

r_u是未安装O形环截面半径

σ_b是O形环材抗拉强度。

由于普通软材料是压缩致截面积增加而致强、拉伸致截面积减少而致弱，而橡胶则是压缩致更液化而致弱、拉伸致更固化而致强，因此，如图12b所示，未安装入容腔的O形环截面的固性似一些富弹的同心圆线；如12c所示，安装入正方形容腔的O形环截面的固性似一些富弹的同心圆角矩形线，有被拉伸强化而更能承受内压力的自由圆角；如图12d所示，工作中的橡胶O形环截面有一个能如数传递压力的更液化区和一个更能承压力的更固化区；所以，截面直径越大的O形环，更固化区圆弧半径r_i越大，越难从配合间隙中挤出致失效，或越能承受更高的压力。也就是说，增大截面直径的O形环可省去反挤出背环。

如图12c所示，四侧均匀触壁安装的O形环在流体压力到来时有一个(流体)挤压角(右)和一个(自由)挤出角(左)，密封在于阻止流体从挤压角泄漏至挤出角。在挤压角，O形环被流体从小空间挤入大空间，是致其剥离腔壁而致其流体挤压面积和挤压力不断增加；在挤出角，O形环被增大的挤压力从大空间挤入小空间而致挤出角密封不断加强(参见图10)；因此，如果再用腔内切圆弧面替代壁角，则只有挤压角和挤出角的O形环，便再无消耗动力的多余流动和巨大静摩擦，以至于凡是可致其变形/移动的流体压力都可致其密封不断加强，再无需安装至充分紧密接触的程度，或者说凡是可致其有变形/移动反应的泄漏都可致其截面直径不小于容腔内切圆直径的O形环自动至无漏接触状态；或者说，O形环的自紧密性的关键是其在容腔中的多侧均匀触壁安装所致的(流体)挤压角和(自由)挤出角结构或均匀渗透致密封性。

对于多侧均匀触壁安装的O形环，或者说对有挤压角和挤出角的O形环，其内部的均匀液压力可致自由角的挤出面半径随内压力增加而同时相同缩小，其弹性可致自由角的挤出面半径随内压力降低而同时相同增大，乃至可致各壁自动维持均匀接触而有效克服温度变化和苟-焦效应所致的泄漏。

如果O形环截面以腔壁内切圆心为圆心，则可致O形环多侧均匀触壁安装；或者说，多侧均匀触壁安装O形环的密封可叫基(腔内切)圆制O形环密封。鉴于其基圆回转体直径是要密封的孔/轴配合直径，因此，基圆制O形环密封可致O形环密封的规格与基孔/基轴配合制的配合直径规格和螺纹直径规格完全一致，即致O形环密封系统与机械系统充分协调一致。鉴于其O形环是多侧相同触壁安装的，因此，基圆制O形环密封可致O形环的正/负压密封结构统一。如果同规格的O形环按体积或重量误差分档，则不仅可容忍O形环有更大的制造误差而显著降低成本，而且还可通过选择有限误差档次的O形环满足无限应用需求。也就是说，基圆制O形环密封可致天下密封结构高度统一和万用。

●自紧密动力结构原理

矩形自紧密环，是按受压变形而如数正交传递压力工作的，如图10所示，流体在其内柱面上的作用力强度和在其环端面上的反作用力强度大小相等并等于流体压力强度，因此，只有致环高增加的流体作用面积(环内柱面积)不小于致环高减少的流体反作用面积(环端密封接触面积)，才能确保密封面始终有足够的变形动力和支撑刚性，即其动力结构条件是：

nd_1rh≥n(d_1r+b)b

d_1rkb≥(d_1r+b)b

k≥(1+b/d_1r)

其中b是矩形环壁厚

h(＝kb)是矩形环高

d_1r是矩形环内柱面直径。

对于两侧受压安装的O形环，受压时需要移动一定距离后才能触第3壁而致密封变形，因此，其动力结构至少应按流体作用面积大于密封接触面积考虑，以便克服低压时和失弹时的巨大静摩擦阻力。多侧均匀触壁安装的O形环，无巨大静摩擦阻力，受小压力便可变形/移动或移动/变形而自动至其最高效自紧密状态，或泄漏便可致其至无任何多余触壁状态或致其流体挤压表面至最大，因此，只需按尽量减少其变形/移动阻力设计。

根据上述徐氏密封理论要点，特提出如下一些完全反现有技术标准规定的矩形环与O形环密封结构。

一种直接颠覆现有技术O形环密封机制的基(容腔内切)圆制O形环自紧密结构，由O形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的，所述O形环以所述容腔的截面内切圆心为其自由截面圆心，以确保其在所述容腔中有一个各侧均匀触壁安装所致的自由挤出角。

凡是密封都是旨在致两个压力容器件的端面的无漏对接或两个柱面的无漏配合，因此，确保密封元的安装、紧固或可靠性的安装/压紧件或防挤出环(O形环背环)等其它元件，是致密封元及其容腔的可制造性或可安装性与合格性或合理性所必须的，是致两个压力容器件的无漏对接或配合所必须的附件，不是原始需要对接的第3压力容器件；也就是说，本说明书所说的矩形环或O形环容腔都是指“致”两个压力容器件的无漏对接安装形成的容腔，包括但不是单指只由两个压力容器件直接围成的容腔。有时候，多个压力容器是通过两个公共体的安装对接而同时安装对接的，如发动机的多个燃烧压力容器和多个冷却压力容器是通过公共缸盖和缸体的安装对接而同时安装对接的；也就是说，本说明书所说的“两个压力容器件的无漏对接安装”应包括“共体的多对压力容器件的同时无漏对接安装”。

对于环的自紧密封而言，泊松比值不足0.5的环材需要一个液性补偿角，泊松比值足够0.5的环材需要一个径向间隙补偿角，有蠕变的环材需要一个滞后载荷的泊松比值补偿角，因此，凡是自紧密环都需要有增加泊松变形的补偿角；鉴于基本泊松补偿角值小而且再大也不会致泊松变形补偿过分，因此，环在容腔中的自然自由挤出角便足够其泊松变形补偿与抵消；或者说，凡是自紧密环都需要一个自由挤出角以致其一受流体压力便从大空间至小空间地变形密封，或者说，一切自紧密封在于有一个环的自由挤出角。鉴于橡胶O形环的自由挤出角只能是多(于两)侧受压安装才可形成，因此，本发明的挤出角结构是反现有技术标准的两侧受压安装规定的。鉴于只有多侧均匀触壁安装才可确保越渗越透的泄漏渗透不会渗透至泄漏，而多侧均匀触壁安装就是O形环截面以其容腔截面内切圆心为其圆心的结果，因此，基圆制O形环密封是反现有技术的不均匀压扁安装规定的。鉴于截面直径等于基圆的O形环最易至最高效自紧密状态，或者说基圆制O形环可是无应力接触安装的，或者说橡胶的固定压缩变形无关自密封大局，因此，基圆制O形环密封又是反现有技术的安装压扁量不低于0.2mm规定的。其实，本说明书的O形环的多侧均匀触壁安装、O形环截面以其容腔截面内切圆心为其圆心、圆壁容腔或基圆制O形环密封、O形环的流体挤压角等都是与O形环的自由挤出角结构相对应的表达或技术特征，或都是致现有O形环密封技术标准颠倒的技术特征。

一种直接颠覆现有技术O形环容腔形状的圆壁容腔O形环自紧密结构，由O形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的，并以所述O形环的流体挤压角和自由挤出角的内切圆壁为所述挤压角和挤出角的角间过渡壁。其实，本圆壁容腔O形环密封是只有流体挤压角和自由挤出角的O形环密封。鉴于只有O形环的多侧触壁安装才能致其拥有流体挤压角和自由挤出角，而以其容腔截面内切圆心为其自由截面圆心的O形环才可致其至多侧均匀触壁安装，因此，本圆壁容腔O形环密封实际上就是无壁角的前述基圆制O形环密封。

又一种直接颠覆现有技术O形环容腔形状的直角三角形基圆壁容腔O形环自紧密结构，由O形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的，并以所述三角形的两锐角为所述O形环的流体挤压角和自由挤出角，以所述三角形的内切圆弧面为其直角部位过渡壁，所述挤压角和挤出角是不截顶的尖角或是一角或两角是截顶的尖角或是有背环填充的尖角。其实，本直角三角形基圆壁容腔O形环密封是一种特殊的前述圆壁容腔O形环密封，只是本流体挤压角和自由挤出角的两角都只能是锐角、而前述流体挤压角和自由挤出角中的一角可是直角。此外，本直角三角形基圆壁容腔O形环密封是统一口密封和杆/塞密封的最简单结构，因为口密封有自然正交的口柱面和口端面。还有，等腰直角三角形基圆壁容腔O形环密封的正压与负压应用特性完全相同，这一点是特别反现有技术的。

又一种直接颠覆现有技术O形环容腔形状的有附加膨胀空间的O形环自紧密结构，由O形环及其主容腔和副容腔组成，其特征是所述主容腔和副容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的相互连通腔，分别用于容装所述O形环的正常体积和膨胀溢出体积，所述O形环以所述主容腔的截面内切圆心为其自由截面圆心，以确保其在所述主容腔中有一个各侧均匀触壁安装所致的自由挤出角。容腔的基圆壁份越大，O形环至最高效自紧密状态后的流体作用表面越大、并至最高效自紧密状态的变形时间或启动时间越短因而密封越可靠，但却致容腔填充越满因而致O形环越需要附加膨胀空间，这就是有附加膨胀空间的意义所在。

实际上，前述4项O形环自紧密封是具有不同容腔或不同挤压角/挤出角或不同基圆壁份容腔的基圆制O形环密封。对于基圆制O形环密封，凡是可致O形环有变形/移动反应的泄漏都可致其截面直径不小于容腔内切圆直径的O形环自动至最高效自紧密状态，因此，前述4项O形环密封的O形环都只需要求其自由截面圆直径在极限温度启动时不小于其腔内切圆直径；鉴于不同尺寸误差的同规格O形环可改变其至最高效自紧密状态的时间或改变其启动或工作的温度极限或可调整其流体挤压角和自由挤出角的密封启动特性以适应特别启动极限需求，因此，前述4项O形环密封的O形环如果按体积误差或重量误差多少分档提供和选用，则可达到以最低的成本满足最苛刻的要求的效果；正是鉴于这种优势，特提出一种按体积误差或重量误差多少分档提供和选用的O形自紧密环，由橡胶、聚四氟乙烯、金、银等有一定弹性的非金属或金属软材料制成，其特征是所述O形环的体积或重量至多比其容腔内切圆内的体积或重量多10％，以确保所述O形环有一个各侧适当触壁安装所致的自由挤出角。这个10％的体积或重量多出极限是O形环的经济制造和应用水准决定的。

鉴于基圆制O形环密封是按流体渗透接触致密封启动的，其O形环，在受流体压力而移动/变形至密封后，需要在流体压力消失后返回至能再受压而移动/变形的待启动状态，因此，材质越软的O形环体因越易受压变形而越需要有复位弹性，而材质弹性越低的O形环体则越需要有高的抗拉屈服强度，或者说，基圆制O形环不能在受极限流体压力时发生影响其复原的塑性变形，或者说，基圆制O形环体需要强至在2倍额定压力的保证测试压力下不发生塑性变形，在安装中不仅需要环的软密封接触面层被压至尽量薄的程度以避免在极限流体压力下发生塑性变形，还需要环体被压至尽量多的弹性变形以备容忍极限压力下发生点塑性变形。所以，特提出增加软材质体弹性或强度或增加软材质表面的支撑弹性或强度的两种O形环：

一种增加软材质体弹性或强度的软材质体增强型O形自紧密环，由橡胶、聚四氟乙烯、铅、铟等一种非金属或金属软材料和一种增强软材料强度或弹性的金属螺旋弹簧环芯或金属无孔或有孔O形环芯或金属C形环芯等制成一体，其特征是所述环芯的自由截面轮廓外径不大于其容腔的内切圆直径的0.2mm或2％，或所述软材料的外层厚度不超过所述环芯的轮廓外表面0.1mm，以确保O形环有一个各侧适当触壁安装所致的自由挤出角。金属材料的弹性应变极限是0.2％，因此，其结构弹性应变极限远大于0.2％的金属螺旋弹簧环芯和金属C形环芯可有较多的安装压扁量；其结构弹性应变极限几乎等于0.2％的金属无孔或有孔O形环芯只能有较少的安装压扁量，但其高强度可致较厚的软密封接触面层充分压薄而适应制造误差的变化；也就是说，环芯的截面轮廓外径和软材料外层厚度视芯环弹性和强度而定。

一种增加软材质表面的支撑弹性或支撑强度的金属O形自紧密环，由一种金属实心或空心O形环基体或金属钻口型或切口型C形环基体和一层或多层弱化密封接触面强度或弹性的金属或非金属涂镀层制成，其特征是所述基体的自由截面轮廓外径不大于其容腔的内切圆直径的0.1mm或1％，或所述涂镀层的厚度不超过0.05mm，以确保O形环有一个各侧适当触壁安装所致的自由挤出角。其结构弹性极限大于其材料弹性极限(0.2％)的金属C形环基体可有稍多的轮廓安装压扁量，其结构与其材料的弹性极限相差不大的金属空心或实心O形基体应有稍小的轮廓安装压扁量，软涂镀层结构或厚度视涂镀工艺、附体强度或抗腐蚀性而定。

O形环受其表面软材质或涂镀层限制，不能满足某些高温和强腐蚀要求，因此，特提出一种可不受表面软材质限制的矩形环自紧密结构，由金属或非金属矩形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件端面的无漏对接安装形成的，包括两个相互平行的端面壁和一个与所述端面壁正交的柱面型壁，所述柱面型壁中部外鼓，所述矩形环被安装至与所述端面壁的两壁和所述柱面型壁的中部紧密接触，以确保所述矩形环在低压侧两端各有一个自由挤出角。矩形环可用对接容器件的相当金属制成，无不同的温度极限、热胀冷缩及腐蚀等问题；矩形截面两端向外呈渐尖状或以三角形或弧形向外渐小，以按“环体抗压面积＞环端抗压面积”地致密封接触强度或弹性弱化，因此，安装可同时致环端接触面充分屈服变形和环体充分弹性变形而触腔壁形成两个自由挤出角，以至于环受流体压力时首先更多发生致密封的弹性或塑性变形；但也可是两端齐平的或微渐尖的非金属矩形环和金属涂镀矩形环。

附图说明

在本说明书的附图中，软材质O形环截面或O形环的软涂层均以灰色实心填充代表，r_u代表其未安装受压的O形环的自由截面圆半径，r_i＝a代表其容腔的内切圆半径。

图1是符合本发明的自紧密封分类的结构图。

图2是现有技术的栓接法兰，图3是现有技术栓接法兰的变形。

图4是安装压缩要求不可调和的现有技术O形环密封。图4a是按自紧密动力要求而必须安装O形环至r_a≥0.75r_u的状态，图4b是按最低必须紧密接触要求而必须安装O形环至r_a≤0.5r_u的状态，图4c是按现有技术标准要求而安装O形环至r_a≥0.7～0.85r_u的低压泄漏状态，图4d是按现有技术标准要求而安装O形环至r_a≥0.7～0.85r_u的高压泄漏状态。

图5是致挑战号航天飞机毁人亡的助推火箭体的现有技术O形环密封结构。

图6是用符合本发明的矩形环自紧密封实现端面的无漏对接的栓接法兰，也是说明符合本发明的包括O形环在内的普通密封元的结构要求与参数的最好结构；其中图6a是栓接法兰总装图，图6b是图6a的边缘宏观支撑锯齿环(05)的局部放大视图，图6c是图6a的微观锯齿环(04)压紧密元与金属矩形环(02)自紧密元的局部放大视图，图6d是图6a的微观锯齿环(04)压紧密元与橡胶矩形环(03)自紧密元的局部放大视图，图6e是图6c的进一步放大视图。

图7是符合本发明的密封元的安装与工作参数曲线，其中S_c-(S_c1～3)线是密封元的原始密封接触层结构或材料屈服后的安装线或加载线，S_s-(S_s1～3)线是密封接触层的支撑结构或支撑体材的安装线或加载线，S_w-(S_w1～3)线是密封接触面的工作线或卸载线，S_-1组线是钢制微观锯齿环的压紧密线，S_-2组线是钢制镀涂环的自紧密线，S_-3组线是橡胶环的自紧密线，G_b-是密封接触面被装配或加载至充分变形接触时的应力，S_a-是支撑被装配或加载至充分弹性变形时的应力，S_e-是支撑的屈服强度极限，E_c是密封接触层结构或材料屈服后的残留弹性模量，E_s是支撑的弹性模量，m₁＝E_c/E_s是密封元的密封难至系数，G_s是密封接触面被卸载至充分变形接触时的应力，G_smin＝0MPa(m₁＝0的油脂元的密封开始应力)，G_smax＝0.1MPa(m₁＝1的橡胶元的密封开始应力)，y是卸载至最低必须紧密接触时的应力(最小必须密封应力)，y_min＝0.1MPa(m₁＝0的油脂元的最小必须密封应力)，y_max＝0.2MPa(m₁＝1的橡胶元的最小必须密封应力)，ε_b≠0是与G_b对应的应变，P_m-是最大密封压力。

图8是符合本发明的密封难至系数m₁＝E_c/E_s解释图。

图9、图10和图11是符合本发明的自紧密环的工作原理和泊松变形补偿及抵消的分别解释图，其中A是(特设)口端，B是(全平)盖端，02是自紧密环，C是径向间隙。

图12是符合本发明的橡胶O形环在安装和工作中的强液性和弱固性模拟图，其中图12a是集中模拟固性的未受压或自由O形环(相当于一环装满液体的薄壁管)，图12b是分散模拟固性的未受压O形环(其固性在截面上似一些富弹的同心圆线)，图12c是分散模拟固性的受安装压缩O形环(其固性在截面上似一些富弹的同心圆角矩形线)，图12d是分散模拟固性的受流体压缩O形环(有一个能如数各向传递压力的更液化区和一个更能承压力的更固化区)。

图13是符合本发明的正方形容腔O形环密封的口密封、杆密封和塞密封。

图14是符合本发明的正方形基圆壁容腔O形环密封的口密封、杆密封和塞密封。

图15是符合本发明的多边形基圆壁容腔O形环密封的口密封、杆密封和塞密封。

图16是符合本发明的直角三角形基圆壁容腔O形环密封的口密封、杆密封和塞密封。

图17是符合本发明的尖角截顶或填充的直角三角形基圆壁容腔O形环密封。

图18是符合本发明的基圆制O形环密封自动所至的最高效自紧密状态。

图19是符合本发明的内嵌金属螺旋弹簧环芯(07)的软材料O形自紧密环(06)。

图20是符合本发明的内嵌金属无孔(08)或有孔(09)O形环芯或金属C形环芯(10)的软材料O形自紧密环环(06)。

图21是符合本发明的外有软金属或非金属涂镀层(6)的金属实心或空心(11)O形自紧密环或金属钻口型或切口型(12)C形自紧密环。

图22是符合本发明的外有软涂镀层的金属切口型C形环的安装、工作和暂停状态。

具体实施方式

密封，是致端面的无漏对接或柱面的无漏(动/静)配合。如图1a所示，端面(对接)密封，可使用O形环(Φd_1o)，也可使用矩形环(Φd_1r)；如图1b所示，使用O形环的柱面(动配合)密封，包括一种杆(/孔)密封(Φd₁₂)和一种塞(/缸)密封(Φd₁₃)；如图1c所示，使用O形环的端面密封(Φd_1o)不仅可用口密封(Φd₁₁)或(静)杆密封(Φd₁₂)或(静)塞密封(Φd₁₃)替代，而且还可有其替代密封一样的系列参数和结构特性；如图1d所示，使用O形环的螺口密封也可与孔和缸的口密封(Φd₁₁)一样的系列参数和结构特性；因此，本发明用矩形环密封(Φd_1r)或O形环口密封(Φd₁₁)来实现端面的自紧密对接，用O形环杆密封(Φd₁₂)或塞密封(Φd₁₃)来实现柱面的自紧密配合。如图1a～d所示，这些矩形环与O形环密封都有一个与管(螺纹)外径(Φd_o)、紧固件螺纹(Φd_oxP)大径及孔轴配合直径(Φd₁₁、Φd₁₂及Φd₁₃)相同的规格尺寸系列。

图13是符合本发明的基(2ax2a正方形容腔内切)圆制O形环口密封(Φd₁₁)、杆密封(Φd₁₂)和塞密封(Φd₁₃)，不包括附加膨胀溢出副腔截面积r_axr_a在内，其

容腔截面积A_c＝4a²

空腔截面积A_v＝4r_a ²-nr_a ²

空腔百分数C_v＝A_v/A_c

＝(4r_a ²-nr_a ²)/4a²

＝(1-n/4)r_a ²/a²

＝0.2146r_a ²/a²

＝21.5％(r_a＝a时)

满腔百分数C_f＝1-C_v

∵nr_u ²＝A_c(1-C_v)

＝4a²(1-C_v)

∴取C_v＝11％时，

未安装O形环的截面半径r_u＝1.0645a

安装O形环的挤出弧半径r_a＝0.7159a

安装压缩比r_u/r_a＝1.5。

由于确保O形环被安装至充分变形接触的条件是r_u/r_a＞1，确保O形环被安装至最低必须紧密接触的条件是r_u/r_a＝2，因此，由上述计算可知，取中间制造误差状态时的C_v＝11％的O形环可被安装至r_u/r_a＝1.5的半紧密状态。

根据O形环的流体渗透致密封机理，只要常温启动时的O形环的安装压缩比r_u/r_a≮1，O形环就会自动至自紧密接触而无论启动后的体积如何变化都能确保密封绝对安全可靠；再鉴于制造和温度所致的积累误差一般不会致橡胶O形环的体积在常温启动时减少10％而至r_u/a＜1，因此，以安装至空腔百分数C_v＝11％为准取O形环的截面半径r_u，即按许可O形环体积最多减少10％设计，是可行的。

为了满足更大温升和流体浸孕所致O形环的体积膨胀，可在主容腔的挤压角增设一个截面积为r_a ²或其它值的膨胀溢出副腔，将最大空腔百分数由21.5％扩大至46％或其它值。

如图13所示，容腔壁角可致容腔的空腔百分数增大而扩大O形环的许可膨胀极限，但也可致O形环无端消耗挤压-挤出动力而致密封速度降低，因此，如果以腔壁内切圆弧面替代壁角，则除可消除壁角对密封的影响外，还可避免O形环的多余变形，以便采用温度系数和弹性比橡胶小的铅、铟、PTFE、黄金等O形环。实际上，以腔壁内切圆弧面替代正方形容腔壁角的容腔可叫正方形基圆壁容腔，如图14所示，不包括溢出腔截面积r_a ²在内，其

容腔截面积A_c＝2a²-2r_a ²+0.5nr_a ²+0.5na²

＝(2+0.5n)a²-(2-0.5n)r_a ²

空腔截面积A_v＝2r_a ²-0.5nr_a ²

＝(2-0.5n)r_a ²

空腔百分数C_v＝A_v/A_c

＝(2-0.5n)r_a ²/[(2+0.5n)a²-(2-0.5n)r_a ²]

＝(2-0.5n)/n    (r_a＝a时)

＝2/n-0.5

＝0.1366(最大空腔百分数)

∵nr_u ²＝A_c(1-C_v)

＝[(2+0.5n)a²-(2-0.5n)r_a ²](1-C_v)

∴●取C_v＝5％时，

未安装O形环的截面半径r_u＝1.0141a

安装O形环的挤出弧半径r_a＝0.6294a

安装压缩比r_u/r_a＝1.6

●取C_v＝6％时，

未安装O形环的截面半径r_u＝1.0040a

安装O形环的挤出弧半径r_a＝0.6862a

安装压缩比r_u/r_a＝1.5。

由上计算可知，对于正方形基圆壁容腔O形环密封，如果设计超过5％的空腔百分数，则对未安装O形环的截面半径r_u误差要求很严以至于无法制造，因此，溢出腔是可考虑的。

由于安装中的O形环在挤压角和挤出角的挤出弧度相等，因此，除可致O形环自动适应制造误差外，非离腔渐小的溢出口还可致安装中的富余O形环料等圆弧挤入溢出腔而避免过变形，这对非橡胶O形环或有软涂层的O形环特别重要。

为了增加图14所示正方形基圆壁容腔的空腔百分数，可将基本容腔形状由正方形改为多边形。对图15那样的多边形基圆壁容腔，可以看成是以三角形AEG的内切圆为基准的也可以看成是以梯形AEFD的内切圆为基准的，但还是可看成是以正方形ABCD的内切圆为基准的，不包括空刀腔截面积在内，其

空腔百分数C_v＝A_v/A_c

＝0.8994r_a ²/4.0410a²

＝0.2226r_a ²/a²

＝22％(r_a＝a时)

＝10％(r_a＝a/1.5时)

∵nr_u ²＝A_c(1-C_v)

＝4.0410a²(1-C_v)

∴●取C_v＝11％时，

未安装O形环的截面半径r_u＝1.0700a

安装O形环的挤出弧半径r_a＝0.7030a

安装压缩比r_u/r_a＝1.5。

由上述计算可知，采用多边形基圆壁容腔不仅可消除壁角对密封的影响，而且还不致最大空腔百分数减小。

虽然多边形基圆壁容腔可以同时满足密封和空腔百分数要求，但却有正压与负压密封性不同的缺陷。对于图16那样有相同挤压/挤出角的等腰直角三角形基圆壁容腔，其

空腔截面积A_v＝2r_a ²/tg22.5°-0.75nr_a ²

＝2.4722r_a ²

空腔百分数C_v＝A_v/A_c

＝0.4404r_a ²/a²

＝44％(r_a＝a时)

＝20％(r_a＝0.67a时)

＝10％(r_a＝0.48a时)

∵nr_u ²＝A_c(1-C_v)

＝5.6138a²(1-C_v)

∴取C_v＝24％时，

未安装O形环的截面半径r_u＝1.1654a

安装O形环的挤出弧半径r_a＝0.7382a

安装压缩比r_u/r_a＝1.6。

由上计算可知，采用等腰直角三角形基圆壁容腔可同时足够满足密封、空腔百分数和正压与负压相同密封的要求。

如图16所示，由等腰直角三角形基圆壁容腔的尺寸

可知，等腰直角三角形基圆壁容腔比其它多边形基圆壁容腔需要更多的结构布置空间或需要更小截面直径的O形环；因此，在布置空间有限的情况下，能够容纳大截面直径O形环的多边形基圆壁容腔更适合高压应用。但是，如果采用图17a的小截顶尖角，或采用图17b的背环填充尖角，或采用图17c的任选大截顶尖角，则可减少等腰直角三角形基圆壁容腔的结构布置空间，同时还可避免O形环的过度变形。

实际上，无论是三角形基圆壁容腔还是多边形基圆壁容腔，都是以挤压角、挤出角及两角公共内切圆组成的封闭轮廓为截面轮廓的。鉴于受压O形环只能以与壁相切的圆弧在容腔角中挤进和挤出，因此，对于圆壁容腔O形环密封，一旦O形环被全挤出挤压角或被剥离至与内切圆同径时或被流体渗透接触至内切圆的切点时，流体将致O形环顷刻完全离开容腔圆壁而至最高效自紧密状态，因为此时O形环已不再受任何多余摩擦阻力的影响；也就是说，对于圆壁容腔O形环密封，超出基圆越少的O形环安装，越易顷刻至最高效自紧密状态。

对于截面直径等于基圆的O形环，如图18所示，如果流体能致其变形/移动，则只能发生如图所示的密封变形/移动，因为任何可致其微变形/移动或微动/变形的流体压力都可致其内部压力升高而致其更自由的挤出面外鼓变形，以至于任何对泄漏流体有阻尼或有变形/微动反应的O形环都可顷刻至最高效自紧密状态。例如，如图18a所示，截面直径不小于基圆的O形环在正方形容腔中的变形，只能是图中实线所示的密封变形而不是虚线所示的泄漏变形，因为与实线变形截面积相等的虚线变形必至压力上大下小而致其再按实线变形；或者说，截面直径不小于基圆的O形环在容腔中的变形只能是密封变形；但就O形环圆截面的变形/移动距离e而论，正方形容腔的e_s＞三角形基圆壁容腔的e_t＞多边形基圆壁容腔的e_r≤μms，或者说就自激至最高效自紧密状态的速度而论，基圆壁份越大的容腔中的O形环的速度越快。因此，从提高其致密封速度考虑，O形环密封应优先采用圆壁容腔，避免采用正方形容腔。

如图18所示，橡胶O形环的最高效自紧密状态就是其以大-小塞式结构受流体挤动状态，既能有效避开多余腔壁的巨大静摩擦阻力，又能对密封接触面提供足够强的支撑；也就是说，橡胶O形环在挤压角里的大空间至小空间的无摩擦流动性和在挤出角里的大-小塞的强支撑性可充分克服作为密封元的橡胶的不利性，或者说，圆壁容腔O形环密封可充分利用橡胶的软弹性而自激至充分变形接触和充分紧密接触，或可有效降低橡胶密封元的密封难至系数值。

因此，对于圆壁容腔或基圆制橡胶O形环密封，其容腔设计是在其基圆腔上附加O形环的挤压和挤出角腔，其O形环设计是确保其截面直径在最不利条件下启动时不小于基圆直径，或选择不同体积或重量误差档的同规格O形环以改变其在容腔中的填充百分比或调节其至最高效自紧密状态的变形时间。例如，如图15b和图15c所示，以直角(A)为挤压角的致密封速度高于以锐角(E)为挤压角的致密封速度；相对致口密封腔的填充百分比，相同误差档O形环可致杆密封腔的填充比稍大，可致塞密封腔的填充比稍小；相同容腔，配备上差挡O形环时比配备下差挡O形环时的填充比更大。

就理想而论，密封接触面应软而无弹性，密封接触面的支撑体应强而富弹性，并应安装至密封面充分塑性变形和至支撑体充分弹性变形；因此，如图19和图20所示，内夹金属螺旋弹簧环芯(07)或内夹金属无孔O形环芯(涂镀层08)或有孔O形环芯(09)或金属C形环芯(10)的橡胶、PTFE、铅、铟等软材料O形环(06)便比无芯橡胶O形环还理想，除可改进其压力温度应用极限外，还可改进其抗腐蚀性。对这种软材体增强型O形环，其环芯应该比相应富弹的无芯软材料环有更好的结构强度，比相应贫弹的无芯软材料环有更好的结构弹性和结构强度并能致有芯的成品O形环满足反复复位的需要；有孔O形环芯的孔的大小和多少应满足结构弹性和结构强度的要求，C形环芯的切口可在更适合应用或制造的方向。

如图18所示，材质越软的O形环体越需要有复位弹性，材质弹性越小的O形环体则越需要有抗塑性变形的高强度，因此，如图21所示，外涂PTFE、铟、铅、镍、黄金等软层(6)的金属实心或空心(11)O形环和C形环(12)应强至在极限工作压力或保证测试压力下无塑性变形；例如，C形环应该有足够的壁厚以免在图22b所示的极限流体压力下发生影响其复位至图22a所示的待启动状态的塑性变形。对这种有软涂层的金属O形环，虽然其体的弹性小、强度高，但其软涂层可同时满足密封和过盈装配的变形需求，而且其体可是容腔体的相同或相当材料，既无热胀冷缩问题也无流体浸孕膨胀问题，因而比无芯橡胶O形环还理想。

综上所述，虽然圆壁容腔是软而最富弹的橡胶O形环的必须容腔，但它也是其它包括硬而最贫弹的金属O形环在内的一切符合密封难至系数m₁＜1的O形环的理想容腔，或者说，基圆制O形环密封的某规格圆壁容腔可根据服务需要而换装相同规格的不同结构或不同误差挡的O形环，关键在于考虑在极限压力温度循环中不能发生影响复位至待启动状态或初始安装状态的塑性变形，并涉及对环截面结构直径Φd_i′和Φd_i″(见图19～21)的安装压缩量。例如，对于图21b所示的金属C形环，其最佳容腔是图14所示的无附加溢出腔的基圆壁份最大的正方形基圆壁容腔，因为基圆壁份越大的容腔致C形环触壁越多而致其截面弯矩越小，但它也可在基圆壁份最小的直角三角形基圆壁容腔中使用；如图22所示，只要C形环有图22b所示的在极限流体压力下不产生塑性变形的壁厚，安装就能致其软涂层至图22a所示的充分紧密接触的初始安装状态；如图22b所示，压力流体首先致不抗弯的C形环弯曲而进入C形环腔，然后致有足够壁厚的C形环只发生增强密封的弹性变形/移动；如图22c所示，一旦C形环外的流体压力下降或消失，则环内压力流体首先撑开不抗弯的C形环而把压力流体陷在C形环腔内，以至于即使过压下发生的微量塑性变形也能得到矫正而恢复至待启动状态；也就是说，关键是C形环在极限压力下不能发生影响复位至图22a所示的待启动状态的塑性变形；对于不许可C形环腔内陷入流体的系统，可考虑用钻孔替代切口并置缺口于易流出方向。

总之，基圆制O形环密封的结构要领是：①O形环能安装或自激至最低紧密接触，受压后能变形但不能有影响复位的塑性变形，②容腔和O形环有相同规格的截面及回转直径。

图6是用符合本发明的矩形环自紧密封实现端面的无漏对接的栓接法兰，也是说明符合本发明的包括O形环在内的普通密封元的结构要求与参数的最好结构；A是钢制法兰的特设端(口端)，其端面上有一环边缘宏观支撑锯齿环(05)、两环(Φd₂和Φd₃)微观密封锯齿环(04)和一环(Φd₂)矩形环容腔；B是钢制法兰的全平端(盖端)，其端面为全平光滑面；01是容腔弧形缚壁，02是可有软涂层的任选钢矩形环，03是任选的橡胶矩形环；由两环微观锯齿环提供一道压紧密封，由一环任选矩形环提供一道自紧密封，双重确保密封安全。矩形自紧密环的内径(Φd_1r)大于或等于被连管外径(Φd_o)，既可致容忍法兰的不同心制造和安装，又可致矩形环和O形环自紧密封有相同的Φd_o系列规格。

微观锯齿环(04)相当于降低密封面的接触刚性而致其密封难至系数m₁＜1，而其齿高Z_t等于0.02～0.03mm(约等于10～15倍对接表面粗糙度R_a值)，其齿距X_s/齿高Z_t约为20～500，既足以轻易变形至填平补齐表面粗糙度R_a值不大于3.2μm的密封接触面，又能确保锯齿只发生弹性变形而可反复使用。

边缘宏观支撑锯齿环(05)的齿顶与微观锯齿环(04)的齿顶同面，因此，能真正抗紧固压缩载荷的只能是承载面积大得多的微观锯齿环根面而不是承载面积趋于0的宏观锯齿环的齿顶，以至于宏观锯齿环丝毫不影响微观锯齿环的充分变形。但是，在分轮次十字交叉拧紧程序中，首轮手指头拧紧和次轮扳手轻拧紧不可能乃至此后轮次的扳手增强拧紧就更不可能致宏观锯齿环的单轮压缩量或单轮周向不均匀压缩量超过1μm，因此，最终的密封接触面的周向紧固压缩变形差绝不可能超过μm级，便可使计算密封应力充分逼近实际密封应力。

如图6c～e所示，环容腔的缚壁(01)是径向内凸的，便可给中部触缚壁的自紧密环(02/03)同时提供一个以r为半径的转动变形支点和两个泊松补偿角θ_x，以至于在环屈服前，流体压力致环壁的弹性转动便可致环端高触点以接近0楔角地楔紧在被密封面上而致密封应力逼近无穷大；在环屈服后，泊松补偿角θ_x便可致任何泊松比值小于0.5的环按自紧密封工作。

如图6e所示，钢制环(02)截面两端按“自尖底的环高(h₁)＜环容腔高(h)＜自尖顶的环高(h₂)”地向外渐尖或渐小至有压碎环端面潜能的紧固件也无法压屈服环体的程度，便可绝对确保密封难至系数m₁＜1，而薄膜和密闭至无挤出间隙的受压材料(如水和橡胶等)的无限受压强度又可确保压薄至膜状的环端面层和密闭在容腔中的环体永不会被压碎；因此，适度按“螺栓总抗拉能力/面积＞管的抗拉能力/面积＞环体截面积＞环端面积”设计，便可确保：

●法兰的紧固件强于被连接管，有同时致环端充分塑性变形和环体充分弹性变形的条件，

●在装配和工作中，首先更多发生的是环的致密封变形而非其它零部件的任何其它变形，所以，加上环的足够自紧密动力设计或按k＞1+b/d_1r的高度设计，便可确保法兰连接的密封永不会因自身的密封性和强度问题失效。

环体与法兰体使用相同或相当材料制造，可确保环与法兰体间的温度系数差不会致环在压力温度循环中产生接触间隙，因此，加上环的安装紧固泊松变形可消除制造公差所致的径向接触间隙，便可确保环在任何压力温度循环下，一受流体压力便产生自紧密变形。

环表面镀镍或黄金一类低弹性低强度的抗腐蚀材料，可进一步降低环密封面的密封难至系数至m₁＜＜1，因此，可确保环的最小必须密封应力能充分小至接近0而致密封可轻易实现和维持，以至于安装至充分紧密接触的自紧密连接，再原位松开至手指头拧紧时，便可通过任意低压至破裂压力测试。

在螺栓和被连接体屈服失效前，自紧密封环内的流体压力不仅不致环的预压缩应力减小，而且还可致已冷流而松弛的环再恢复至预压缩状态，而任何有弹性预压缩的环又不可能因冷流而松弛到手指头拧紧的地步，因此，可以说，环的自密封可忍受环的一切冷流松弛。

其实，压贴在缚壁(01)上的橡胶矩形环(03)相当一个附加有缚壁支撑的和体支撑截面积增加的橡胶O形环，因此，橡胶矩形环比橡胶O形环因环体支撑更强而更易致密封。

总体上，矩形环可无软密封层，在服务温度和化学兼容上可不受软皮层限制，而O形环则受必需软皮层限制；安装至紧密接触时有利矩形环密封但却不利O形环密封；受压塑性变形有利矩形环再启动，但却不利O形环再启动；因此，就端面密封而论，矩形环优于O形环。

Claims (11)

1.一种基(容腔内切)圆制O形环自紧密结构，由O形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的，所述O形环以所述容腔的截面内切圆心为其自由截面圆心，以确保其在所述容腔中有一个各侧均匀触壁安装所致的自由挤出角。

2.一种圆壁容腔O形环自紧密结构，由O形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的，并以所述O形环的流体挤压角和自由挤出角的内切圆壁为所述挤压角和挤出角的角间过渡壁。

3.一种直角三角形基圆壁容腔O形环自紧密结构，由O形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的，并以所述三角形的两锐角为所述O形环的流体挤压角和自由挤出角，以所述三角形的内切圆弧面为其直角部位过渡壁，所述挤压角和挤出角是不截顶的尖角或是一角或两角是截顶的尖角或是有背环填充的尖角。

4.一种有附加膨胀空间的O形环自紧密结构，由O形环及其主容腔和副容腔组成，其特征是所述主容腔和副容腔是致两个压力容器件的无漏对接安装形成的相互连通腔，分别用于容装所述O形环的正常体积和膨胀溢出体积，所述O形环以所述主容腔的截面内切圆心为其自由截面圆心，以确保其在所述主容腔中有一个各侧均匀触壁安装所致的自由挤出角。

5.一种按权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4的O形环自紧密结构，其特征是所述O形环的自由截面圆直径不小于所述内切圆直径。

6.一种按权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4的O形环自紧密结构，其特征是所述O形环按体积误差或重量误差多少分档提供或选用。

7.一种O形自紧密环，由橡胶、聚四氟乙烯、金、银等有一定弹性的非金属或金属软材料制成，其特征是所述O形环的体积或重量至多比其容腔内切圆内的体积或重量多10％，以确保所述O形环有一个各侧适当触壁安装所致的自由挤出角。

8.一种软材质体增强型O形自紧密环，由橡胶、聚四氟乙烯、铅、铟等一种非金属或金属软材料和一种增强软材料强度或弹性的金属螺旋弹簧环芯或金属无孔或有孔O形环芯或金属C形环芯等制成一体，其特征是所述环芯的自由截面轮廓外径不大于其容腔的内切圆直径的0.2mm或2％，或所述软材料的外层厚度不超过所述环芯的轮廓外表面0.1mm，以确保O形环有一个各侧适当触壁安装所致的自由挤出角。

9.一种金属O形自紧密环，由一种金属实心或空心O形环基体或金属钻口型或切口型C形环基体和一层或多层弱化密封接触面强度或弹性的金属或非金属涂镀层制成，其特征是所述基体的自由截面轮廓外径不大于其容腔的内切圆直径的0.1mm或1％，或所述涂镀层的厚度不超过0.05mm，以确保O形环有一个各侧适当触壁安装所致的自由挤出角。

10.一种矩形环自紧密结构，由金属或非金属矩形环及其容腔组成，其特征是所述容腔是致两个压力容器件端面的无漏对接安装形成的，包括两个相互平行的端面壁和一个与所述端面壁正交的柱面型壁，所述柱面型壁中部外鼓，所述矩形环被安装至与所述端面壁的两壁和所述柱面型壁的中部紧密接触，以确保所述矩形环在低压侧两端各有一个自由挤出角。

11.一种按权利要求10的矩形环自紧密结构，其特征是所述矩形环的矩形截面两端向外微呈渐尖状或渐小状或不呈渐尖状或渐小状，所述矩形环的两端表面有软涂镀层或无软涂镀层。

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