CN100475395C - 用于使密封环断裂的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于使密封环(30)断裂装置和方法，其在应用中使用，其中密封防止或者减少渗漏。本发明公开了保持穴或凹陷穴(20)，其用于在断裂与断裂销(40)的接触期间将未断裂的密封环(30)保持在合适的位置。

Description

用于使密封环断裂的方法和装置

技术领域

本发明涉及密封环。更为特殊的，本发明涉及用于使密封环断裂以便执行密封功能的方法和装置。

背景技术

正如普遍已知的，密封环可由多种材料制成，最通常的由金属例如铸铁、可弯曲的弹性体、和各种聚合体。因为环放置在活塞或轴的凹槽中，所以非弹性的环必须具有缺口，以便帮助环施加到活塞或轴上，以及从活塞或轴上移除环。这些密封环的一些应用是压缩机、泵、自动变速器自动传输和动力转向装置装置。在金属和聚合体的情况下，用于在这些环中准备缺口的已知方法是机械加工，在可弯曲的聚合体的情况下是切割。这种环的机械加工和切割都很繁重，属于劳动密集型，导致较高的零件生产成本。

下面公开的内容与本发明的多个方面相关，简要概述如下：

Van Ryper等的US 5,988,649公开了一种密封环，该密封环具有通过其厚度的断裂线，以便形成相对的面。面是粗糙的，彼此配合，以致当面被迫接触时，面可以互锁。密封环的断裂线由这种装置制成，该装置具有由两个支撑销构成的支撑装置和由第三销构成的按压装置。两个支撑销沿着密封环的内周边在两个位置支撑密封环，这两个位置彼此间隔一些距离，因此形成密封环的未支撑区域。由第三销构成的按压装置接着沿着切线方向施加在密封环外表面的未支撑区域，大体上在两个位置之间相对和通常等距离，该距离足够产生密封环的断裂线。使环断裂的该方法使用了若干零件，具有延长转换时间的可能性，可能在被断裂的密封环上引起不必要的应力，导致不希望的侧面影响，例如次生裂缝。

希望有一种使密封环断裂的简单而更加有效的方法，同时不牺牲密封质量。更为希望的是减少被断裂的密封环上不必要的应力，减少断裂密封环装置的延长转换时间。

发明内容

简要地说，根据本发明的一个方面，提供一种用于使密封环断裂的方法，包括：a.将具有周边的所述环保持在凹陷区域中，限制所述周边的向外偏转，所述环松弛地保持在所述凹陷区域中；b.使用断裂构件向内压缩所述环的所述周边上的单个定位点，具有两个相对端部的所述断裂构件包括主体和钝刃形状的断裂顶端，在断裂构件的一端上具有支撑所述断裂顶端的支撑构件；和c.迅速地向内偏转环周边的定位点，积累作用力使所述环过应力，所述断裂构件沿着切向接触所述环的所述周边，使环断裂。

依据本发明的另一个方面，提供一种用于使密封环断裂的装置，包括：凹陷区域，其用于松弛地保持具有周边的密封环，其中所述周边的向外偏转被限制；和断裂构件，具有两个相对端部的所述断裂构件包括主体和钝刃形状的断裂顶端，在断裂构件的一端上具有支撑所述断裂顶端的支撑构件，其中所述断裂构件将所述密封环压缩在凹陷区域中，迅速向内偏斜所述密封环，直到所述断裂构件使所述密封环断裂。

附图说明

结合附图，根据下面的详细说明，将更加充分地理解本发明，其中：

图1A是本发明实施例的示意视图，其显示处于装置中的密封环，该装置利用圆形凹陷区域使密封环断裂。

图1B是图1A实施例的示意视图，其显示本发明沿着切线方向接触圆形凹陷区域中的密封环的断裂销。

图2显示本发明断裂环的侧视图，其中上视图显示在断裂处分离的环，第二图显示闭合的断裂环。

图3是密封环的横断面视图，该密封环放置在圆柱形构件的径向沟槽内，以便当圆柱形构件放置在壳体的孔内时该密封环执行密封功能。

图4是图1A的断裂顶端的实施例的放大图。

图5A是本发明另一个实施例的示意图，其中凹陷区域是有角度的或V型的。

图5B是本发明图5A实施例的示意图，其显示断裂销沿着切线方向接触有角度或V型凹陷区域中的环。

图6是图5A中断裂销顶端的备用实施例的放大图。

图7是环从断裂销偏转的示意图。

尽管结合本发明的优选实施例描述了本发明，但应理解不是用于将本发明限制到该实施例。相反，它用于覆盖包括在由后附技术方案定义的本发明实质和范围内的所有的替代、修改、和等同。

具体实施方式

本发明提供一种使密封环断裂的方法，该方法简单有效，不会降低密封环防止或最小化渗漏的能力。当希望完全消除渗漏时，意识到由于温度或某些应用，本发明中极小的渗漏是可接受的，这对熟悉本技术领域的人员来说是显而易见的。本发明的方法将密封环松弛地保持在凹陷区域或保持穴中，该凹陷区域或保持穴优选的为圆形或圆的(参见图1A或1B)，或者有角度的或者V形(参见图5A或5B)，以便当密封环周边上的定位点被断裂销向内压缩时，稍微限制密封环周边向外的偏转。当该力建立或者积累时，在销前面的环区域向内迅速地偏斜(由于环其余部分上的穴约束)，直到环受到过应力，在与断裂销切向接触处断裂。

现在参考附图详细说明本发明。图1A公开本发明的示意装置。具有保持穴20的板10松弛地保持密封环30。保持穴20是板10中的凹陷区域。凹陷区域优选为环30(也就是形状为圆形或圆)的形状，或者为有角度的形状，或者为V形(参见图5A或5B)。断裂销40由任何合适的装置沿着径向向内引导到环。一个这种装置是如图1B所示的凹陷通道50。断裂销40具有断裂顶端45，该顶端由支撑构件46支撑。图4显示断裂顶端的放大图。断裂销40用于断裂和缩回的滑动方向由箭头5显示。断裂销40沿着切线方向接触密封环30的周边。例如气压缸的机构60用于为断裂销提供压缩力，以便断裂密封环。

现在参考图5A和5B，其公开板中用于断裂密封环的凹陷区域的备用实施例。图5A公开本发明的示意装置。具有保持穴120的板110松弛地保持密封环130或135。保持穴120具有有角度的或者V形形状。V形形状使不同尺寸的环(例如130、135...)当如下所述适当地放置在V形形状中时能用于该装置。保持穴120是板110中的凹陷区域。断裂销140由合适的装置引导，例如如图5B所示的凹陷通道150。断裂销140具有由支撑构件146支撑的断裂顶端145。图6显示断裂顶端的放大图。断裂销140用于断裂和缩回的滑动方向由箭头15显示。断裂销140沿着切线方向接触密封环130或135的周边。例如气压缸160的机构用于为断裂销提供足够断裂密封环的压缩力。

现在参考图2，其显示根据本发明的方法出现的已断裂的密封环70。密封环70的断裂线75由相对的面73组成，该面垂直于密封环的轴线。也就是说，断裂线大致上不以某一角度偏离半径。另外，相对面73是粗糙的，因为如上所述由本发明的断裂方法自然地发生。参考图3，当密封环放置在圆柱形构件86的径向沟槽90内时，圆柱形构件86接着放置在壳体84的孔88中，相对面彼此接触或者接近彼此接触。

正如熟悉本技术领域的普通人员通常已知的，在圆柱形构件的转动或者往复运动期间密封环会变热，这导致密封环在工作条件下热膨胀。因此，相对面在达到工作条件以前不必彼此接触。与温度一起，流体压力是另一个工作条件，其影响密封环执行密封功能的能力。继续参考图3，当如此处所述密封组件80的压力侧94获得工作压力和获得工作温度时，相对面配合和互锁，从而闭合用于安装密封环产生的缺口，因而缺口不会成为渗漏点。注意到由于粗糙的相对面配合和互锁的事实，单个密封环成为一个整体，其被要求执行密封功能。换句话说，正如迄今普遍存在的，不止一个断裂密封环因为缺口不能完全闭合而不能被要求执行密封功能，在该密封环中断裂线沿着相反的方向交错。由本发明的方法制造的断裂密封环可用于多种应用执行密封功能，该应用包括静态的、往复运动和旋转应用。密封环用于采用液体或者气体形式的流体被隔离的应用中，以致流体朝着密封环施加压力，从而产生密封表面。

图3显示密封组件80的已知应用，其中公开了根据本发明制造的密封环。组件80由壳体84和圆柱形构件86组成，该圆柱形构件86可移动地布置在壳体84的孔88内。圆柱形构件86或者以往复运动的方式、或者以旋转的方式在孔88内部移动。圆柱形构件86具有用于放置密封环70的径向沟槽90，以致圆柱形构件放置在壳体内部，密封环执行密封功能。

正如所预料的，流体越过密封环的不希望的渗漏很明显，以致密封组件80不能适当地发挥作用。如上所述，在有些情况下完全消除渗漏是不可能的。此外，存在这样的情况，其中少量和受控制的渗漏是优选的。例如，受控制的渗漏可用于例如变速器中非压力侧上的轴承或轴衬的润滑或者热量移除。当密封环放置在密封组件80内部和当密封组件加压时，恰当地发挥作用的密封环70将防止、或者至少最小化流体渗漏。圆柱形构件86具有位于密封环上游的压力侧，通常以94指示，和位于密封环下游的不加压侧，通常以96指示。密封环70通过隔离压力侧86和不加压侧96而发挥作用。

在本发明的装置和方法中，如图1A和1B显示的断裂销40的刃或断裂顶端45可比现有技术(US 5,988,649)中的木钉或圆形按压销更尖锐，但是并不划伤密封环表面。在本发明中，优选的断裂销顶端或者刃45是钝刃形状，该刃具有优选为0.0381cm(0.015英寸)到0.127cm(0.050英寸)的半径。位于断裂顶端45后面的支撑结构46可以是三角形或者椭圆形。位于断裂顶端后面的支撑结构优选的为凸状，因为它允许断裂环端面在环断裂时避免被划伤。支撑断裂顶端的钝凸状或者三角形支撑防止断裂顶端分离地伸展两个断裂环端部。具有优选的钝形支撑断裂顶端，断裂环端部继续向内偏转。由于断裂环端部71、72向内偏斜，它们自己也卷曲背部，因而进一步防止断裂环的面接触断裂销40，如图7所示。三角形支撑(未显示)能用作钝凸状支撑的备用实施例，如果从顶端开始测量的角度大于10度，优选的大于30度，更优选的大于60度。

在图5A和5B中，显示断裂顶端145和支撑结构146的备用实施例。这些断裂顶端和支撑结构中的任一个都可用于本发明的凹陷区域装置或方法中的任一个。应避免锐利地″切割″断裂顶端，因为它可能划伤、刻痕或者腐蚀环周边，以致导致不希望的密封渗漏。几何结构的这种组合利用具有小的几何结构的顶端在断裂之前将应力集中到优选的狭窄带，接着利用顶端后面较宽的支承结构提升断裂面使其与断裂销分离，从而防止互相配合的断裂壁的变形。它还允许更精确地控制断裂位置，因为与现有技术相比应力带已经非常狭窄。

断裂密封环要求的力的数值随材料特性和密封环横截面的变化而变化。力施加到密封环上的速度同样重要。如果力非常慢地施加，则断裂线会与半径以某一角度传播。另外，力的慢施加和伸展过度致使断裂销或其他的断裂机构朝着密封环中心移动太远，这可导致密封环正圆环形状的变形。如果密封环伸展过度，则可能超过材料的局部弹性极限，使密封环变形。另一方面，如果力非常快地施加，则也可发生伸展过度，从而导致变形密封环。因此，优选地，施加到密封环的力的施加速度是迅速的，而不是平缓的，这样可限制断裂销的行程长度。力可通过手动压力或者受控制的机械装置施加。如上所述对于给定的参数，计算要施加的力的数值对熟悉本技术领域的普通人员来说是显而易见的。

当密封环被断裂销向内偏斜时，密封环被凹陷穴20部分约束在它的周边。圆形或有角度的几何结构优选的用于穴，因为它具有自动定心特性。在有角度的几何结构中(例如V形凹陷区域)，当环被断裂销移动时，环会移动到V形底部，或者距离断裂销最远的切向位置。现在可以保证相对于环的一些特征的断裂位置，例如突出部或者油槽。对于圆形穴，从圆形穴直径的75％直到穴直径的密封环可被断裂，同时不会改变穴尺寸。直径小于穴直径75％的密封环倾向于在最远切点处不恰当地嵌入到断裂销中，因而不好对准。对于V型穴该问题可以克服，它是用于大范围直径的通用座。参见图5A和5B所示两个例子的密封环135和130，尺寸不同的密封环怎样容纳在本发明的V形保持穴中。

圆形或者V形穴的凹陷深度在本发明中是优选问题。深度只须足够防止环从穴壁上″跳起″，该跳起由密封环倒角、斜缘或者其他的环特征引起，该特征可以促使环从穴中提升。壁高或者凹陷穴的深度至少为密封环厚度的一半。对于外径为10.16cm(4英寸)或者更小的许多密封环，深度至少为0.127cm(0.05英寸)，在许多应用中最优选的至少为0.254cm(0.100英寸)。

现有技术US 5,988,649教导三销方法，它与本发明相比具有显著的局限性。对于直径非常小的环，密封环的内部开放区域不够设置两个约束销，还要具有未支撑区域，以便外部销施加力。

利用如上所述本发明的装置，根据如上所述本发明的方法，产生的密封环具有真正的圆形，尽管其中存在断裂线，该断裂线对执行密封功能来说是必须的。″真正的圆形″是指即使在密封已经断裂之后，密封仍具有保持圆形形状的能力。在美国国家标准协会(ANSI)Y14.5M-1982中，真正的圆形被进一步定义，在这一点上，被任何垂直于公共轴线的平面横断的表面上的所有点与该轴线本质上等距离。如果密封环是不圆的，则很可能发生渗漏，因为密封环的外表面不会与壳体的孔完全接触。如上所述，机械加工密封环中的缺口，其中一些密封环材料实际上被移除，导致缺少真正的圆形，当相对面恢复到彼此接触时不能完全闭合缺口，如图2所示。

此外，密封环的某些物理特性很重要。特别重要的特性是抗拉强度、拉伸模量和伸长率。虽然金属密封环倾向于具有更好的抗拉强度和拉伸模量，但是聚合体具有更高的伸长率。已经发现对于本发明的环，抗拉强度应在9000至18000psi(每平方英寸磅数)(62.1×10³到124.1×10³kPa)范围内，伸长率在2.5％到10％范围内，抗拉模量在310,000到750,000psi(每平方英寸磅数)(2.14×10⁶到5.17×10kPa)范围内。熟悉本技术领域的普通人员会理解这些仅仅是优选的范围，而不是限制。多种聚合体适合用于本发明断裂的密封环。特别适合的有聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯硫，和聚苯并咪唑。如果聚合体是聚酰亚胺，则优选地它由至少一个二胺和至少一个酐制备。优选使用的二胺包括间苯二胺(MPD)、对苯二胺(PPD)、氧二苯胺(ODA)、亚甲基二苯胺(MDA)、和甲苯二胺(TDA)。优选使用的酐包括二苯酮四甲酸二酐(BTDA)、联苯二酐(BPDA)、苯偏三酸酐(TMA)、苯均四酸二酐(PMDA)、马来酐(maleic anhydride，MA)、和桥亚甲基四氢化邻苯二甲酸酐(nadic anhydride，NA)。

优选的聚酰亚胺包括从下列酐和二胺的组合中制备的：BTDA-MPD、MA-MDA、BTDA-MDA-NA、TMA-MPD & TMA-ODA、BPDA-ODA、BPDA-MPD、BPDA-PPD、BTDA-4，4′-二氨基二苯甲酮、和BTDA-二对苯氧基-p，p′-联苯。用于本发明密封环的尤其满意的聚酰亚胺由苯均四酸二酐和4，4′-氧二苯胺(PMDA-ODA)制备。

聚酰亚胺成分还可以包含由至少一个聚酰亚胺和至少一个其他的聚合体构成的混合物，该聚合体在低于约400度的温度下可熔化加工，可从聚酰胺和聚酯树脂中选择，存在的浓度从大约45到79.9重量百分比。熔化按照其传统意义使用，聚合体可在指示温度下在挤压设备中加工，同时大致没有聚合体的降解。

多种聚酰胺和/或聚酯可用于本发明，和/或与聚酰亚胺混合。例如，能使用的聚酰胺包括尼龙6、尼龙6，6、尼龙610和尼龙612。能使用的聚酯包括聚对苯二甲酸丁二醇酯和对苯二甲酸乙二醇酯。

易熔的或者熔化的聚酰胺或者聚酯可以另外采用液晶聚合物(LCP)的形式。LCP是通常的聚酯，包括但不限于聚酯酰胺和聚酯酰亚胺(polyesterimdes)。LCP例如被Jackson等人在US4,169,933、4,242,496和4,238,600中描述，也在″Liquid Crystal Polymers：VILiquid Crystalline Polyesters of Substituted Hydroquinones.″中描述。

用于本发明密封环的聚合体还可包括其他的添加剂、填料和干式润滑剂，其不会降低完成的密封环的综合特性，这对熟悉本技术领域的人员来说是显而易见的。例如，将石墨掺入该成分可以延长它用作抗磨材料的范围。另一个有益的添加剂是碳纤维，以便降低热膨胀系数。已知的多种无机填料可降低摩擦系数和改善耐磨性。使用的填料不会妨碍本发明密封环的断裂。

本发明的穴系统相对于现有技术(′649)是有利的。现有技术的三销方法中，两个支撑销必须缩回，或者环必须提升到销之上或者提升到离开销。在发明中，可在旋转表面上布置多个凹陷穴。固态毛坯环分配到空的凹陷穴，毛坯环将断裂位置编入索引，接着可编入更多的索引用于质量分析和包装。例如本发明的装置是：具有很高的生产率、由于移动零件和零件总数较少所以不那么复杂，以及适应于不同尺寸的环，同时很少或没有修改。

因而，明显地根据本发明提供一种用于使密封环断裂的方法和装置，其完全满足上述目的和优势。尽管结合本发明的具体实施例描述了该发明，但对熟悉本技术领域的人员来说许多替换、修改和变化是显而易见的。因此，它用来包含落入后附技术方案限定的实质和宽泛范围的所有这些替换、修改和变化。

Claims (14)

1、一种用于使密封环断裂的方法，包括：

a.将具有周边的所述环保持在凹陷区域中，限制所述周边的向外偏转，所述环松弛地保持在所述凹陷区域中；

b.使用断裂构件向内压缩所述环的所述周边上的单个定位点，具有两个相对端部的所述断裂构件包括主体和钝刃形状的断裂顶端，在断裂构件的一端上具有支撑所述断裂顶端的支撑构件；和

c.迅速地向内偏转环周边的定位点，积累作用力使所述环过应力，所述断裂构件沿着切向接触所述环的所述周边，使环断裂。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹陷区域具有圆形形状。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹陷区域具有有角度的形状。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有角度的形状是V形形状。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述断裂顶端具有从0.0381cm到0.127cm的半径。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支撑构件的形状是三角形或者椭圆形。

7、一种用于使密封环断裂的装置，包括：

凹陷区域，其用于松弛地保持具有周边的密封环，其中所述周边的向外偏转被限制；和

断裂构件，具有两个相对端部的所述断裂构件包括主体和钝刃形状的断裂顶端，在断裂构件的一端上具有支撑所述断裂顶端的支撑构件，其中所述断裂构件将所述密封环压缩在凹陷区域中，迅速向内偏斜所述密封环，直到所述断裂构件使所述密封环断裂。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述凹陷区域是保持穴，该保持穴用于在所述断裂构件断裂密封环期间保持所述密封环。

9、如权利要求7或者8所述的装置，其特征在于，所述凹陷区域具有壁高，该壁高至少为在所述凹陷区域中的所述密封环的厚度的一半。

10、如权利要求7或者8所述的装置，其特征在于，所述凹陷区域具有壁高，该壁高至少为0.127cm。

11、如权利要求7或者8所述的装置，其特征在于，所述凹陷区域具有壁高，该壁高至少为0.254cm。

12、如权利要求7或者8所述的装置，其特征在于，所述凹陷区域具有圆形形状。

13、如权利要求7或者8所述的装置，其特征在于，所述凹陷区域具有有角度的形状。

14、如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述有角度的形状是V形形状。

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