# 氣動系統中的密封機制實際如何運作？

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/how-do-sealing-mechanisms-actually-work-in-pneumatic-systems/
> Language: zh-Hant

## Summary

了解氣動密封件如何透過壓縮量、壓力增能、安裝槽與潤滑維持密封；一項 2019 年研究指出，活塞密封件佔受測氣缸摩擦的 90%。

## Page Content

# 氣動系統中的密封機制實際如何運作？

氣動密封機制 是在潛在漏氣路徑上形成受控接觸的屏障。初始壓縮會在壓力建立前先關閉漏氣路徑；系統壓力接著讓許多 O 形環與唇形密封件向配合表面增能貼合。在活動接頭中，設計必須在維持接觸的同時，限制摩擦、潤滑劑流失、磨耗與發熱。

單靠材料名稱或壓縮百分比不能選定密封件。完整的密封系統還包括密封型式、材料配方、溝槽、配合表面、擠出間隙、壓力方向、運動、潤滑劑、溫度、公差、對心與組裝方式。只要改變其中一項，漏氣或摩擦就可能隨之改變。

> 重點摘要 初始過盈在低壓下先形成密封。 系統壓力會使許多密封型式產生壓力增能。 溝槽尺寸與公差控制實際壓縮量。 動態密封必須在漏氣、摩擦、潤滑與磨耗之間取得平衡。 一項 2019 年實驗指出，活塞密封件佔受測氣缸摩擦的 90%。

![SDA 緊湊型氣動氣缸活塞與端蓋零件分解圖，顯示已安裝的密封環](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/how-do-sealing-mechanisms-actually-work-in-pneumatic-systems/wp-sda-compact-cylinder-seal-assembly.jpg)

## 氣動密封機制如何建立接觸屏障？

依 ISO 3601-2:2025，housing 是限制 O 形環的溝槽或腔體，加上配合表面。這個兩部分的定義直接說明了答案：只有當彈性體、安裝槽、配合表面與壓力方向共同形成連續接觸屏障時，密封才會有效（[ISO 3601-2](https://www.iso.org/standard/85921.html)，2025）。

施加壓力前，組裝過盈會使密封件產生足夠變形，先關閉潛在漏氣路徑，這就是預壓。空氣壓力進入受壓側間隙後，會作用在暴露的密封表面，將密封件推向低壓側。密封件因此貼向溝槽壁與配合表面，使局部接觸壓力提高，這種行為通常稱為壓力增能。但壓力不會修復不合適的溝槽、受損表面、錯誤材料或過大的擠出間隙。密封件仍需要足夠的初始接觸來應付低壓密封，也需要足夠的自由體積來變形，以及足夠支撐來抵抗被擠入間隙。

這個機制可由 4 項功能定義：

| 功能 | 由什麼提供？ | 什麼會使它失效？ |
| --- | --- | --- |
| 初始關閉 | 組裝過盈或彈簧增能器 | 壓縮量不足、公差累積、損傷 |
| 壓力反應 | 作用在密封型式上的壓力 | 唇口反向、壓力路徑堵塞、方向錯誤 |
| 結構支撐 | 溝槽壁、缸筒、活塞桿、防擠環 | 間隙過大、偏轉、邊緣損傷 |
| 動態相容性 | 潤滑膜、表面紋理、密封幾何 | 乾式運轉、對心不良、污染、預壓過大 |

比起問「哪一種密封材料最好？」，不如問一個更有用的設計問題：這條確切漏氣路徑是由什麼關閉、增能、支撐與潤滑？這種問法會迫使審查納入硬體與運轉條件，而不是把密封件當成孤立的備品。

> Figure: 靜態與動態密封都使用受控接觸壓力，但活動密封還會增加摩擦、潤滑、反向、磨耗與對心限制。

## 靜態與動態密封路徑

ISO 3601-2 於 2025 年發布，涵蓋有防擠環及無防擠環的一般液壓與氣動 O 形環安裝槽，也區分活塞與活塞桿硬體。這些差異很重要，因為靜態端面接頭、往復活塞桿與移動活塞會讓密封件面對不同的間隙與運動（[ISO 3601-2](https://www.iso.org/standard/85921.html)，2025）。

靜態密封在正常服務期間連接相對不移動的表面。例如端蓋接頭、閥體塞、端口接頭或歧管接口可能使用靜態密封。主要設計考量包括壓縮量、溝槽填充率、壓力方向、熱膨脹、材料相容性、螺栓負載、表面損傷與壓力循環。

動態密封的接觸面存在相對運動。活塞桿密封件在活塞桿往復時保持壓力；活塞密封件分隔兩個氣缸腔室；刮塵器去除外部污染，但不一定是主要壓力密封件。導向環與軸承承受橫向負載，避免要求密封唇口同時負責導向機構。動態密封是一種折衷：增加過盈可以改善初始接觸，卻會提高起動力與磨耗；降低過盈可以減少摩擦，卻會削弱低壓密封。正確型式會利用壓力方向與唇口幾何，在需要的位置增加接觸，而不是處處依賴過大的預壓。

[動態與靜態氣缸密封指南](/zh-hant/blog/how-do-dynamic-vs-static-cylinder-seals-impact-performance-and-reliability/)更詳細比較氣缸的 4 種主要接口。本文聚焦於接觸、壓力增能、支撐與潤滑如何共同形成密封機制。

那張氣缸分解圖說明了為何應依位置指定密封功能。活塞密封件分隔腔室，端蓋密封件關閉靜態接頭，活塞桿密封件保持空氣，軸承則控制對心。外觀相似的環件，可能具有不同的材料配方、型式、方向與任務。

## 如何計算 O 形環壓縮量與溝槽填充？

O 形環尺寸與安裝槽分別由不同標準涵蓋：ISO 3601-1:2012 規定內徑、截面與公差，ISO 3601-2:2025 規定相配的安裝槽。名義壓縮量計算很有用，但必須再進行公差堆疊分析，並套用適用的溝槽表（[ISO 3601-1](https://www.iso.org/standard/58043.html)，2012；[ISO 3601-2](https://www.iso.org/standard/85921.html)，2025）。

簡化的徑向溝槽，其名義壓縮量可表示為：

S n o m = d c s − h g l a n d d c s × 100 % S_{\mathrm{nom}} = \frac{d_{\mathrm{cs}} - h_{\mathrm{gland}}}{d_{\mathrm{cs}}} \times 100\%

其中， S n o m S_{\mathrm{nom}} 是名義壓縮量， d c s d_{\mathrm{cs}} 是已安裝 O 形環的截面， h g l a n d h_{\mathrm{gland}} 是有效徑向溝槽高度。有效高度必須來自實際缸筒、活塞桿、溝槽、塗層與公差。環件的拉伸或壓縮，也可能改變其安裝後截面。

不要只靠名義值核准設計。請用最壞情況的尺寸上、下限計算最小與最大壓縮量，再檢查溝槽填充率、壓力方向、擠出間隙、熱膨脹、膨潤、組裝拉伸、邊緣圓角，以及所選材料配方的供應商資料。溝槽填充率是已安裝密封體積與可用溝槽體積的比較。多餘空間不一定安全，而完全填滿溝槽也不理想。密封件需要空間來吸收尺寸公差、熱膨脹、流體或潤滑劑膨潤，以及壓力造成的變形。

這就是為什麼通用的「15－30% 壓縮」規則會失效。靜態端面密封、往復活塞 O 形環、活塞桿密封件與硬質熱塑性元件，不會共用同一種溝槽幾何或變形模型。請以適用的安裝槽表作為起點，再驗證完整的公差與環境條件。

ISO 3601-3:2005 另外定義 O 形環表面缺陷的品質驗收標準與限制。即使尺寸正確，只要毛邊、切口、空洞或表面缺陷穿過密封接觸區，環件仍然可能漏氣（[ISO 3601-3](https://www.iso.org/standard/40409.html)，2005）。

## 動態唇形密封如何在運動中保持空氣？

一項 2019 年實驗分別測試活塞與活塞桿密封件，結果顯示在受測氣動氣缸中，活塞密封件產生了 90% 的摩擦。研究也發現壓力、速度、密封幾何與直徑之間有強烈交互作用，因此不能只依材料判定摩擦（[Tribology International](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X19301380)，2019）。

唇形密封件採用不對稱型式。面向壓力的凹腔會讓部分唇口接觸系統壓力；壓力升高時，唇口會被推向活塞桿或缸筒，以及支撐它的溝槽壁。低壓側的形狀則讓唇口可以彎曲，而不會翻滾或失穩。運動期間，接觸區可能帶有非常薄的潤滑膜。膜太薄會增加黏著、磨耗與黏滑；帶出的潤滑劑過多，則可能表現為外部漏氣或潤滑劑流失。運動反向會改變油膜方向與接觸條件，因此延伸與回縮的摩擦不必然相同。

經典 Stribeck 曲線可用來描述邊界潤滑、混合潤滑與流體膜潤滑，但不是通用的密封選型圖。彈性體接觸會變形，壓力會改變接觸分布，潤滑脂可能遷移，而活塞桿或缸筒會反向運動。請在實際壓力、速度、行程、停留、潤滑劑與表面條件下進行元件測試。

相關的[起動力指南](/zh-hant/blog/what-is-breakaway-force-in-pneumatic-cylinders/)說明停留與密封摩擦如何影響起動；[唇形型式最佳化指南](/zh-hant/blog/lip-profile-optimization-balancing-sealing-force-and-friction/)則聚焦於針對摩擦、漏氣與磨耗驗證唇形幾何。

## 為什麼增加壓力或壓縮量不一定能改善密封？

ISO 3601-4:2008 為特定 O 形環與安裝槽規定 5 種防擠環型式。它們的存在說明，耐壓能力取決於在間隙處支撐密封件，而不是單純增加壓縮量或硬度直到不漏氣（[ISO 3601-4](https://www.iso.org/standard/42115.html)，2008）。

壓力增能會提高接觸，但也會把密封件推向所有可用的擠出間隙。風險取決於壓差、工作負載下的間隙、密封硬度與模數、溫度、材料狀態、壓力循環，以及運動是否反覆把受損材料拉過邊緣。硬體偏轉也應納入間隙計算。例如，管體膨脹、活塞傾斜、軸承磨損、溝槽變形或側向負載彎曲活塞桿，都可能使名義加工間隙增大。因此，最大工作間隙可能超過圖面所示的室溫同心值。

當所選密封件與硬體需要時，防擠環會支撐壓力側間隙。方向很重要。壓力反向時，兩側都可能需要支撐；實心環的組裝進入方式，也可能與剖開式或螺旋式設計不同。

[擠出間隙指南](/zh-hant/blog/the-physics-of-extrusion-gaps-preventing-seal-failure-at-high-pressures/)會詳細說明這個間隙問題。彈簧增能器處理的是另一種低壓問題；在把它們視為通用改裝件前，請參閱[彈簧增能密封指南](/zh-hant/blog/energized-seals-using-spring-loaders-for-low-pressure-cylinder-sealing/)。

## 什麼會控制摩擦、黏滑與密封件發熱？

2019 年發布的實驗性氣動密封資料顯示，在受測配置中，壓力對摩擦的影響大於速度，而幾何與直徑也會改變結果。這項證據支持在實際應用條件下量測摩擦，而不是為 NBR、聚氨酯或 PTFE 指定一個固定係數（[Tribology International](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X19301380)，2019）。

一個活動密封介面的摩擦功率可以寫成：

P f = F f v P_{\mathrm{f}} = F_{\mathrm{f}} v

其中， P f P_{\mathrm{f}} 是以瓦特表示的摩擦功率， F f F_{\mathrm{f}} 是量測到的摩擦力，單位為牛頓； v v 是滑動速度，單位為公尺／秒。這個關係可估算介面轉換的機械功率，但不能直接預測密封件溫度。

溫度需要瞬態熱模型或量測。熱量會分配到密封件、活塞桿或缸筒、周圍金屬、潤滑劑與壓縮空氣。反向、行程長度、工作循環、停留、環境溫度與對流都會改變結果。只用密封件質量與比熱除摩擦功率，等同假設絕熱升溫，很快就會變得不切實際。當啟動或重新啟動運動所需的力量不同於滑動期間的力量，而氣動或控制系統又能儲存足以重複循環的能量時，就會發生黏滑。密封摩擦只是其中一項因素；閥死區、空氣柔順性、導向摩擦、對心不良、低速、潤滑狀態與控制器調校也可能參與其中。

實務上的改善應從證據開始：

- 記錄兩個腔室的壓力、位置、速度、溫度、停留時間與運動方向。

- 量測起動力與運轉力，不要假設摩擦係數。

- 檢查活塞桿或缸筒、密封唇口、潤滑分布、導向件與對心。

- 將量測到的工作負荷與密封供應商核准的壓力－速度－溫度範圍相比。

- 每次只做一項受控變更後重新測試，讓摩擦、漏氣與磨耗保持可追溯。

## 表面加工與對心如何影響漏氣？

Trelleborg 的氣動密封指南比較了兩種高度粗糙度相近、但材料率分別為 70% 與 15% 的型式，說明單一 Ra 或 Rz 數值無法描述密封表面。該指南也禁止動態表面出現刮痕、擦傷、孔洞與螺旋加工紋（[Trelleborg 氣動密封](https://www.trelleborg.com/seals/-/media/tss-media-repository/tss_website/pdf-and-other-literature/catalogs/pneumatic_gb_en.pdf)，取用於 2026 年）。

動態表面必須保留合適的油膜，不能割傷唇口或形成定向泵送路徑。單看平均粗糙度，無法顯示孤立刮痕、開放谷部、平台結構、導程紋、波紋，或端口與螺紋處的損傷。請依所選密封供應商要求，指定表面參數、量測方法、方向、取樣條件、塗層、硬度與缺陷限制。對心同樣重要。側向負載的活塞桿會使密封接觸壓力沿圓周重新分布；一個區段承受高負載，另一個區段則失去接觸。同一個負載也可能磨損軸承、擴大工作擠出間隙，並將污染物拖入唇口下方。

導向環與活塞桿軸承應承受橫向反作用。[活塞桿軸承失效指南](/zh-hant/blog/how-do-proper-rod-bearings-prevent-costly-rod-seal-failures-in-pneumatic-cylinders/)說明負載路徑；[表面加工指南](/zh-hant/blog/the-role-of-surface-finish-ra-vs-rz-in-cylinder-barrel-longevity/)則區分 Ra、Rz、輪廓形狀與檢查上限。

依我們的經驗，把受損區段回溯到端口、邊緣、軸承與壓力方向，比先更換材料配方更有用。這個簡單的位置檢查，往往能區分組裝切傷、圓周磨耗、單一間隙處的擠出，或對心不良造成的單側接觸。

組裝損傷常常看起來像材料失效。請保護唇口避開尖銳螺紋與端口，去除邊緣毛刺，使用核准的組裝工具與潤滑劑，保持零件清潔並避免扭轉。封閉組件前先檢查密封件；組裝時形成的切口，不論材料品質多好，都可能立即造成漏氣。

## 不同失效模式需要不同證據

ISO 815-1:2019 下的壓縮永久變形測試，通常在低於 80 IRHD 的硬度範圍使用 25% 恆定應變，較硬的範圍則使用 15% 或 10%。結果取決於壓縮時間、溫度與恢復條件，因此不是通用的使用壽命百分比（[ISO 815-1](https://www.iso.org/standard/74943.html)，2019）。

將觀察到的損傷對應到可能機制：

| 觀察結果 | 可能機制 | 要收集的證據 |
| --- | --- | --- |
| 乾淨切口或唇口缺失 | 組裝邊緣、跨越端口、硬顆粒 | 損傷位置、邊緣狀況、組裝路徑 |
| 羽化或翻捲邊緣 | 摩擦過大、扭轉、支撐不足、反向 | 運動方向、潤滑、唇口方向 |
| 擠出或啃蝕材料 | 工作間隙、壓力循環、軟化 | 最大間隙、壓力歷程、溫度 |
| 扁平且未恢復的截面 | 壓縮永久變形、熱老化或化學老化 | 材料配方、時間、溫度、恢復測試 |
| 單側拋光帶 | 對心不良、側向負載、軸承磨損 | 同心度、導向反作用、活塞桿偏轉 |
| 氣泡、膨潤、裂紋 | 介質不相容、減壓、老化 | 流體暴露、壓力釋放、材料變更 |
| 幾乎看不到損傷卻漏氣 | 表面路徑、預壓不足、公差、閥旁通 | 尺寸、壓降隔離、表面掃描 |

致動器端口漏氣，不代表活塞密封件一定漏氣。閥重疊、氣管接頭、端蓋接頭、活塞桿密封件、外部配管與測試接頭，都可能造成相同的壓力損失。更換零件前，先安全隔離各個邊界並逐一量測。 [內部漏氣診斷指南](/zh-hant/blog/what-causes-internal-leakage-in-pneumatic-cylinders-and-how-can-you-fix-it/)區分活塞旁通、閥漏氣與外部漏氣。在能安全隔離密閉體積時，[壓力衰減漏率計算器](/zh-hant/online-tools/pressure-decay-leak-rate-calculator/)可以整理體積、壓力、時間與溫度輸入，但它本身無法指出是哪個元件漏氣。

> Figure: 漏氣、旁通、摩擦、熱與永久變形需要不同的隔離測試；在定位路徑前就更換密封件，可能掩蓋真正故障。

## 密封件選型與驗證檢查表

ISO 3601-5:2015 的材料規格涵蓋選定的工業彈性體，但標準指出，所需物理性質與測試方法應由設備製造商、使用者與密封供應商共同約定。因此，單獨寫出聚合物家族名稱，並不是完整的密封規格（[ISO 3601-5](https://www.iso.org/standard/62902.html)，2015）。

選擇或替換密封件前，請先提供以下輸入：

- 靜態、活塞、活塞桿、旋轉、刮塵或緩衝功能；

- 壓力範圍、壓力方向、反向、尖峰與減壓速率；

- 活塞桿或缸筒直徑、溝槽尺寸、公差與最大工作間隙；

- 行程、速度範圍、加速度、循環、停留與工作循環；

- 環境與介面溫度範圍；

- 空氣品質、潤滑劑、清洗劑、製程介質與外部污染；

- 活塞桿或缸筒材料、塗層、硬度、表面規格、導程與缺陷上限；

- 側向負載、導向配置、同心度、跳動與組裝方式；

- 允許的外部與內部漏氣；

- 起動力、運轉摩擦、溫度、磨耗與耐久驗收上限；

- 材料配方、型式、模具與潤滑劑的追溯性及變更通知。

驗證的是已組裝的元件，而不只是材料試片。記錄初始漏氣與摩擦，在規定循環中讓密封件完成條件化，適用時於冷、熱狀態重複量測，檢查接觸表面，並記錄停留後的恢復情況。如果溫度重要，請把感測器放在實際介面附近，並定義資料擷取頻率。驗收測試應保留會使密封件增能與支撐的變數。沒有活塞位置的壓力資料，會漏掉腔室幾何；沒有溫度的漏氣資料，會漏掉氣體密度與熱效應；沒有方向與停留的摩擦資料，會掩蓋遲滯。一份精簡測試紀錄，比「密封壽命很長」這類泛泛宣稱更有價值。

## 氣動密封機制 FAQ：工程師應該問什麼？

ISO 3601 系列的 5 個部分，分別處理 O 形環尺寸、安裝槽、表面品質、防擠環與工業材料規格。這個架構回答了一個常見設計錯誤：沒有單一的壓縮百分比、硬度、材料配方或表面數值，可以完整規定氣動密封機制（[ISO 密封標準目錄](https://www.iso.org/cms/live/live/en/sites/isoorg/contents/data/ics/83.140.50/x/)，取用於 2026 年）。

### 氣動氣缸 O 形環的理想壓縮比是多少？

沒有通用值。請先依確切的靜態、活塞或活塞桿配置，查閱適用的 ISO 3601-2 或密封供應商安裝槽表。根據實際公差計算最小與最大壓縮量，再檢查溝槽填充率、拉伸、溫度、膨潤、壓力、擠出間隙、運動與材料配方資料。

### 提高空氣壓力會讓每一種氣動密封都運作得更好嗎？

不會。壓力可以讓方向正確的 O 形環或唇形密封增能，但也會提高接觸負載，並把材料推向擠出間隙。表面損傷、唇口反向、間隙過大、壓力路徑堵塞、材料配方不相容或軸承支撐不足，都不能靠提高供氣壓力可靠地修正。

### Stribeck 曲線可以預測氣動密封摩擦嗎？

它提供有用的潤滑狀態詞彙，但不是通用的摩擦值。氣動密封摩擦還會隨壓力、唇形幾何、直徑、潤滑脂分布、表面、溫度、行程、停留、反向與材料黏彈性而改變。請使用能重現預定運轉條件的供應商測試資料與元件量測結果。

### 如何判斷漏氣來自活塞密封件還是閥？

請依核准的安全程序，把氣缸、閥、氣管與測試接頭隔離成不同邊界。記錄兩個腔室的壓力、活塞位置、溫度、體積與時間。單靠壓力衰減只能確認受測體積有損失，不能指出是哪個元件或介面造成損失。

### 新的氣動密封件為什麼組裝後立即失效？

立即失效通常指向組裝損傷、方向錯誤、尺寸不對、端口或螺紋尖銳、污染、幾何扭轉、乾式組裝，或硬體尺寸超出公差。更換材料前，先檢查損傷位置與組裝路徑。更高等級的材料配方，也無法補償被割傷的密封唇口。

### 來源與技術參考

- [ISO 3601-1:2012，O 形環尺寸、公差與代碼](https://www.iso.org/standard/58043.html)，取用日期：2026-07-27。

- [ISO 3601-2:2025，一般用途安裝槽尺寸](https://www.iso.org/standard/85921.html)，取用日期：2026-07-27。

- [ISO 3601-3:2005，品質驗收標準](https://www.iso.org/standard/40409.html)，取用日期：2026-07-27。

- [ISO 3601-4:2008，防擠環](https://www.iso.org/standard/42115.html)，取用日期：2026-07-27。

- [ISO 3601-5:2015，工業彈性體材料規格](https://www.iso.org/standard/62902.html)，取用日期：2026-07-27。

- [ISO 815-1:2019，常溫或高溫下的壓縮永久變形](https://www.iso.org/standard/74943.html)，取用日期：2026-07-27。

- [Parker O 形環手冊](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，取用日期：2026-07-27。

- [Trelleborg 氣動密封型錄](https://www.trelleborg.com/seals/-/media/tss-media-repository/tss_website/pdf-and-other-literature/catalogs/pneumatic_gb_en.pdf)，取用日期：2026-07-27。

- [氣動密封摩擦實驗研究](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X19301380)， Tribology International ，2019。

- [乾式條件下氣動氣缸往復唇形密封的失效與損傷](https://www.mdpi.com/2075-4442/12/4/119)， Lubricants ，2024。