CN100578047C

CN100578047C - 密封系统

Info

Publication number: CN100578047C
Application number: CN200580018605A
Authority: CN
Inventors: 松井纪之
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: EP1767838A1; JPWO2005121613A1; WO2005121613A1; US20070216111A1; CN1965185A; EP1767838A4

Abstract

提供一种即使在杆密封系统上付与压力变动也可使缓冲圈的动作稳定从而可以一直发挥密封性能的密封系统。上述缓冲圈(B)，其刚性高且可以确保较大的过盈量，由此可以使由压力变动引起的动作稳定从而抑制滑动面从杆(5)离开，是具有比杆密封件(R)大的剖面的部件；并且，由内周唇部(6)的唇前端(9)的边缘被打圆从而将最大接触压力梯度减小的U形密封圈(2)、和与U形密封圈(2)的内周踵状部(3)相接触从而保护该内周踵状部(3)的挡圈(4)构成。

Description

密封系统

技术领域

本发明涉及在例如作为建筑机械或运输车辆等的传动装置而使用的液压缸等中所使用的杆密封系统等密封系统。

背景技术

作为密封系统，液压缸等中所使用的杆密封系统众所周知。如图9所示，杆密封系统的结构具备：杆密封件R，其防止工作油向外部泄露；和缓冲圈B，其装设在杆密封件R的油压侧O(流体压侧)，缓冲高负荷时的冲击压或变动压、或者切断高温的工作油流入杆密封件R侧，从而提高杆密封件R的耐久性；和防尘圈D，其在杆密封件R的外部侧A，防止外部的泥水或灰尘的侵入。

针对该杆密封系统101，近年来存在使用环境温度的高温化(MAX120℃)或寿命延长的需求，对此，如专利文献1所公开的那样，具有通过在缓冲圈B中使用耐热聚氨酯材料来应对该需求的系统。在专利文献1所公开的杆密封系统101中，可以通过提高缓冲圈B的疲劳寿命，并维持缓冲圈B的性能来实现杆密封件R的负荷抑制，从而实现杆密封件R的长寿命化，进而可以实现杆密封系统101整体的长寿命化。

专利文献1：日本特开2001-355739号公报

发明内容

但是，在专利文献1的杆密封系统101中，虽然可以实现寿命延长，但在下述的状况下恐怕会产生不合适的情况。

在交变压力频繁的情况下，例如当在建筑机械的挖土作业中代替铲斗而使用破碎机作为附属装置等时，在杆密封系统101上会施加有10～30Hz左右的压力变动。此时，变为进行伴随有微小行程的往复运动，从而由压力引发的缓冲圈B的变形·恢复不断重复，缓冲圈B的动作变得不稳定，同时与其相配合的摩擦进一步加重了动作的不稳定，缓冲圈B的内周唇部无法与压力变动随动，从而，如图10所示，滑动面瞬间地从杆102脱离、即在缓冲圈B与杆102之间产生间隙，导致在杆密封件R上直接施加高压(油压的偏流)。如果反复这样在杆密封件R上直接施加高压，就会损伤杆密封件R，加快磨损·疲劳，杆密封件R的密封性下降，其结果，会有产生油泄漏的危险。

另外，在挖土机、轮式装载机等建筑机械的通常作业中，在挖掘、土砂等的装卸作业频率连续地较多时，与上述同样，在杆密封系统101上施加压力变动，也会产生同样的问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在杆密封系统上施加压力变动，缓冲圈的动作稳定能够一直发挥密封性能的密封系统。

为达成上述目的，在本发明中，采用下面的结构。即：

一种密封系统，它是在往复运动的2个部件间的环状间隙中，从流体压侧向外部侧顺次配置缓冲圈、主密封件、防尘圈而构成的密封系统，其特征在于：

上述缓冲圈，是刚性高且能够确保较大的过盈量、由此能够使因压力变动引起的动作稳定、抑制滑动面从被滑动构件离开的，具有比上述主密封件大的剖面的部件；由将滑动侧唇的唇前端的边缘打圆从而减小了最大接触压力梯度的U形密封圈、和与该U形密封圈的踵状部的滑动侧踵状部分相接触保护该滑动侧踵状部分的挡圈构成。

上述缓冲圈的U形密封圈的踵状部，优选为其轴方向的长度占上述U形密封圈整体的轴方向长度的40～90％。

根据本发明，即使在密封系统上施加有压力变动，缓冲圈的动作仍然稳定从而一直发挥密封性能。

附图说明

图1是表示第1实施方式的杆密封系统的半剖图。

图2是表示第1实施方式的缓冲圈的半剖图。

图3是表示第1实施方式的缓冲圈在压力变动时的动作的半剖图。

图4是表示根据第1实施方式的缓冲圈的剖面尺寸的不同而得到的使用耐久试验结果的图。

图5是表示第2实施方式的杆密封系统的半剖图。

图6是表示第2实施方式的缓冲圈的半剖图。

图7是表示根据第2实施方式的缓冲圈的唇前端的不同而得到的滑动发热比较试验结果的图。

图8是表示第3实施方式的缓冲圈的材料、压缩永久变形的比较的图。

图9是表示背景技术的杆密封系统的半剖图。

图10是表示背景技术的杆密封系统的问题点的半剖图。

标号说明

1杆密封系统 2U形密封圈

3内周踵状部分 4挡圈

5杆 6内周唇部

7外周唇部 8安装槽

9唇前端 10气缸

11U形密封圈 12内周唇部

13外周唇部 14安装槽

15挡圈 16安装槽

17封油唇 18防尘唇

19金属环 20内径凸缘部

21微小突起 22U形密封圈

23内周唇部 24外周唇部

B缓冲圈 R杆密封件

D 防尘圈

具体实施方式

(第1实施方式)

参照图1～4，对第1实施方式进行说明。图1是表示第1实施方式的杆密封系统的半剖图。图2是表示第1实施方式的缓冲圈的半剖图。图3是表示第1实施方式的缓冲圈的在压力变动时的动作的半剖图。图4是表示根据第1实施方式的缓冲圈的剖面尺寸的不同而得出的使用耐久试验结果的图。

图1的杆密封系统1，具备：杆密封件R，其作为防止工作油向外部泄露的主密封件；缓冲圈B，其装设在杆密封件R的流体压侧、即油压侧O，缓冲高负荷时的冲击压或变动压，或者切断高温的工作油流入杆密封件R侧，从而提高杆密封件R的耐久性；防尘圈D，其在杆密封件R的外部侧A防止外部的泥水或灰尘的侵入。

杆密封系统1的构成为，从油压侧O向外部侧A顺次配置有缓冲圈B、杆密封件R以及防尘圈D。

缓冲圈B由下述部件构成：抗拉强度·耐磨损性·耐压性优异的聚氨酯橡胶(以下称作PU)制的U形密封圈2，和聚酰胺树脂(以下称作PA)制的、被嵌入在作为U形密封圈2的踵状部的滑动侧踵状部分的内周踵状部分3上的挡圈4。

该缓冲圈B，具有比杆密封件R大的剖面，其相对于杆密封件R的剖面面积比为1.5倍左右(参照图1)。另外，这里所说的剖面，指的是由包含轴的中心线的平面所确定的剖面。因此，如后面所述，可以提高缓冲圈B的刚性，而且确保较大的过盈量，由此，可以使由压力变动引起的动作稳定，从而抑制滑动面离开杆5。这里，所谓的“过盈量”，指的是安装槽8的槽底的径尺寸与缓冲圈B的外径尺寸之差，而“刚性提高”，指的是抵抗由外力而引起的变形的能力提高。另外，在本实施方式中，虽然缓冲圈B相对于杆密封件R的外径比为1.5倍左右，但并不局限于此，缓冲圈B相对于杆密封件R的外径比在大于1倍2倍以下的范围内就可以。这是因为，当外径比杆密封件R大时就可以得到上述的效果；而当外径比杆密封件R的2倍大时就无法安装在整体的安装槽8上。

缓冲圈B的U形密封圈2，包括内周唇部6和轴方向长度比内周唇部6短的外周唇部7，并以内周唇部6的前端和外周唇部7的前端朝向油压侧O的状态安装在气缸内周的安装槽8上。另外，支撑内周唇部6以及外周唇部7的踵状部，被设为其轴方向的长度占U形密封圈2整体的轴方向长度的40～90％。这里，所谓踵状部的轴方向的长度，指的是从内周唇部6和外周唇部7之间的U字槽的槽底到U形密封圈2的外部侧端部(与安装槽8的侧面接触的端部)的轴方向的长度(图2中的L)。这样，踵状部相对于U形密封圈2整体的体积增大，由此支撑内周唇部6以及外周唇部7的踵状部的刚性进一步提高，从而可以提高内周唇部6相对于杆5的随动性，进而可以使缓冲圈B的动作稳定。

另外，如图2所示，内周唇部6与杆5之间的接触压力最高的唇前端9，边缘被打圆从而将最大接触压力梯度减小。从流体润滑逆理论推导可知，在这样地减小最大接触压力梯度时，U形密封圈2所形成的油膜变厚。

缓冲圈B的U形密封圈2，其外周唇部7的轴方向长度比内周唇部6短，因此，如果在油压积存在缓冲圈B与杆密封件R之间时，在设置在气缸10内周上的安装槽8内使缓冲圈B向油压侧O靠近，则内周唇部6与安装槽8的油压侧O侧面接触，而外周唇部7不与侧面接触，从而形成在安装槽8中迂回的流路，所以，可以使积存在缓冲圈B与杆密封件R之间的油压向U形密封圈2的U字状槽中排放。

对于缓冲圈B的U形密封圈2的材料，作为PU的组成，可以使用多元醇、二异氰酸酯、链增长剂等，特别可以使用在PU的组成中含有耐热型多元醇、耐热型二异氰酸酯的材料。作为该耐热型多元醇，可以使用己二酸己二醇酯、碳酸酯等，作为耐热型二异氰酸酯，可以使用邻联甲苯胺异氰酸酯、对亚苯基二异氰酸酯等。

作为缓冲圈B的U形密封圈2，可以列举：将(A)数平均分子量为500～6000的高分子量二元醇、(B)芳香族二异氰酸酯以及(C)作为链延长剂的低分子量二元醇，以NCO/OH比为0.95～1.20反应而得到的热塑性聚氨酯成形品，等等。然后，这样的热塑性聚氨酯，通过具有末端活性氢的高分子量二醇(长链二醇)和作为链延长剂的低分子量二元醇(短链二醇)的二异氰酸酯加成聚合作用而制造。作为高分子量二醇，可以使用数均分子量为500～6000、优选为1000～3000的聚酯多元醇、聚醚多元醇、丙烯酸系多元醇、聚硅氧烷多元醇、1，4-聚丁二烯多元醇、1，2-聚丁二烯多元醇、酚多元醇、阻燃性多元醇、蓖麻油多元醇等。其中，作为聚酯多元醇，可以使用己二酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸等二羧酸与乙二醇、丙二醇、二甘醇、丁二醇、1，6-己二醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇等多元醇的缩合反应生成物，聚己内酯多元醇，聚碳酸酯多元醇，等等。另外，作为聚醚多元醇，可以使用聚丙二醇类多元醇或其环氧乙烷改性物、氨改性物，或者聚氧基四亚甲基二醇，等等。这些多元醇成分，以(A)、(B)、(C)这3种成分的合计量中30～90重量％、优选为40～70重量％的比例来使用，如果用量比其少则成形性恶化，如果使用得比其多则耐热性、耐压缩永久变形性恶化。另外，作为(B)芳香族二异氰酸酯，可以列举邻联甲苯胺异氰酸酯、对亚苯基二异氰酸酯等。另外，作为链延长剂(C)，例如是1，4-丁二醇、1，6-己二醇、2，3-丁二醇、1，4-双(β-羟基乙氧基)苯、对苯二甲醇、甘油单烯丙基醚、二羟甲基二氢吡喃等二醇类的1种或2种以上，以(A)、(B)、(C)这3种成分的合计量中1～60重量％、优选为5～40重量％来使用，如果用量比其多则成形性恶化，如果使用得比其少则耐热性、耐压缩永久变形性恶化。并且，在使用了这各种成分的聚氨酯化反应中，以有机二异氰酸酯的NCO基与高分子二元醇以及链延长剂的低分子量二元醇的OH基的NCO/OH比为0.95～1.20、优选为1.05～1.10的比例来反应。如果超出该比例范围，则会引起生成聚氨酯的分子量的降低或由过剩的异氰酸酯基或羟基引起的副反应，导致物理性能降低。另外，在反应时，也可以根据需要添加锡化合物、氨化合物等作为催化剂，还可以适当配合填充剂、金属氧化物、金属氢氧化物、润滑剂等。以上的各成分，通过一步发泡法或预聚合物法，使用注射模塑成型机、挤压成形机等，成形为规定的缓冲圈B的U形密封圈形状。

缓冲圈B的挡圈4，只要可以防止在施加高压时U形密封圈2的踵状部的内周踵状部分3的密封挤出即可，对其形状、材质没有特别限定，所以也可以是与U形密封圈2的外部侧A相邻地设置的平板垫圈状物体，材料可以使用46尼龙、66尼龙、6尼龙等。

接下来，杆密封件R，是丁腈橡胶(以下称作NBR)或氢化丁腈橡胶(以下称作H-NBR)制的U形密封圈11。对于U形密封圈11，内周唇部12以及外周唇部13在轴方向上的长度相等，与缓冲圈B的U形密封圈2同样，以内周唇部12的前端和外周唇部13的前端朝向油压侧O的状态安装在气缸10内周的安装槽14上。

在该U形密封圈11的内周唇部12的前端以及外周唇部13的前端上，在圆周上均匀地设置有用于将积存在杆密封件R与防尘圈D之间的油压向油压侧O排放的、避免蓄压的切口。因此，如果在油压积存在杆密封件R与防尘圈D之间时，在设置在气缸10内周上的安装槽14内使杆密封件R向油压侧O靠近，则内周唇部12以及外周唇部14与安装槽14的油压侧O侧面接触而切口形成流路，所以可以使积存在杆密封件R与防尘圈D之间的油压向杆密封件R的油压侧O排放。

另外，将平板垫圈状的聚四氟乙烯树脂(以下称作PTFE)制的挡圈15与U形密封圈11的外部侧A相邻接地并用。由于并用该挡圈15，因此即使在对U形密封圈11施加了高油压时，也可以防止U形密封圈11的踵状部的内周踵状部分的密封挤出，从而可以进一步提高杆密封件R的耐压性能。

防尘圈D，安装在气缸10内周的安装槽16上，其结构是，使抗拉强度·耐磨损性优异的PU制并设置在油压侧O的封油唇17和设置在外部侧A的防尘唇18与杆5滑接，在安装于安装槽16上的外周的嵌合部上烧结固定有金属环19。金属环19在外部侧A具有内径凸缘部20。

另外，防尘圈D的结构并不仅限于此，但在应用于作为建筑机械或运输车辆等的传动装置而使用的液压气缸等中时，由于在防尘圈D上也加有高负荷，所以优选使用用金属环19对外周的嵌合部进行加强的比较结实的本实施方式的结构。

在由以上的结构构成的杆密封系统1中，缓冲圈B的外形比以往的大，具有比以往大的剖面。包含U形密封圈2以及挡圈4的缓冲圈B的外径长度约为杆密封件R的1.5倍。这样，由于剖面较大，所以各部分壁厚变厚从而刚性提高，同时过盈部分也增加从而可以确保较大的过盈量。所以，首先提高刚性，由此内周唇部6难以变形，从而可以稳定地维持姿势。再加上，通过确保较大的过盈量，维持了密封面，所以内周唇部6可以持续滑动。进而，支撑内周唇部6以及外周唇部7的踵状部，被设为其轴方向的长度占缓冲圈B整体的轴方向长度的40～90％。这样，踵状部相对于缓冲圈B整体的体积较大，所以支撑内周唇部6以及外周唇部7的踵状部的刚性进一步提高，从而可以提高内周唇部6的相对于杆5的随动性，可以使缓冲圈B的动作稳定。从而，在如背景技术所说明那样的、例如在建筑机械的挖铲作业中代替铲斗而使用破碎机作为附属装置等情况下，在挖土机、轮式装载机等建筑机械的通常作业中，在挖掘、土砂等的装卸作业频率连续地较多等时候，在杆密封系统1上会施加10～30Hz左右的压力变动，从而如图3所示，进行带有微小行程的往复运动，但是，即使在上述情况下，由压力引起的缓冲圈B的变形·恢复也不会有大的变化，缓冲圈B可以一直持续在杆5上滑动，缓冲圈B的动作稳定(在图3(a)中在向杆5的外部侧A移动时几乎不变形，在图3(b)中在向杆5的油压侧O移动时，U形密封圈2的滑动仅为使挡圈4从安装槽8的槽侧面离开)。另外，即使同时产生摩擦，也不会损害缓冲圈B动作的稳定。这样，当缓冲圈B的动作稳定时，不会产生即便是瞬间地缓冲圈B的滑动面从杆5离开、即在缓冲圈B与杆5之间产生间隙导致在杆密封件R上直接施加高压(油压的偏流)的情况。因此，不会在杆密封件R上直接施加高压，从而杆密封件R不会损伤，抑制了磨损·疲劳，可以维持杆密封件R的密封性，其结果，不会有产生油泄漏的危险。进而，杆密封系统1可以一直发挥密封性能。另外，如图4所示，与以往的剖面小的缓冲圈(图示：○)相比，本实施方式的剖面大的缓冲圈(图示：×)的过盈量的变化量，即使经过一段时间也一直良好，所以即便持久使用，也可以持续发挥比以往更优异的密封性能。另外，图4的结果是在温度80℃、杆径φ75的条件下的使用耐久试验的结果。

在这里，由于缓冲圈B具有较大的剖面，所以其与杆5的接触面积增加，会引起滑动发热的增加。对此，在本实施方式中，将内周唇部6的唇前端9的边缘打圆从而将最大接触压力梯度减小，所以从流体润滑逆理论推导可知，U形密封圈2所形成的油膜变厚，较厚的油膜会使磨损难以进行，改善滑动时的磨损特性，从而可以得到降低滑动发热的效果。

(第2实施方式)

参照图5～7，对第2实施方式进行说明。图5是表示第2实施方式的杆密封系统的半剖图。图6是表示第2实施方式的缓冲圈的半剖图。图7是表示根据第2实施方式的缓冲圈的唇前端的不同而得出的滑动发热比较试验结果的图。

图5的杆密封系统1，结构与图1大致相同。对于与第1实施方式同样的结构省略掉说明，下面叙述与第1实施方式不同的方面。

对于缓冲圈B的U形密封圈2，如图6所示，内周唇部6的与杆5之间的接触压力最高的唇前端9，边缘被打圆从而将最大接触压力梯度减小。除此之外，在内周唇部6的滑动面上，具有多个用于提高油膜保持力的微小突起21。因此，由于最大接触压力梯度减小，所以从流体润滑逆理论推导可知，U形密封圈2所形成的油膜变厚。另外，在微小突起21间保持油膜，从而油膜保持力有所提高。

另外，杆密封件R为PU制的U形密封圈22。U形密封圈22，内周唇部23与外周唇部24相比在轴方向上形成得较短，并且，与缓冲圈B的U形密封圈2同样，以内周唇部23的前端和外周唇部24的前端朝向油压侧O的状态安装在气缸10内周的安装槽14上。在该U形密封圈22的内周唇部23的前端以及外周唇部24的前端上，没有设有用于避免蓄压的切口。另外，也没有如图1所示那样配设有平板垫圈状的挡圈。

在本实施方式中，在杆密封件R上没有设有挡圈，削减了部件数目，实现了紧凑化。

在以上的结构的杆密封系统1中，与第1实施方式同样，缓冲圈B较大，具有较大的剖面，所以可以得到同样的效果。另外，由于将内周唇部6的唇前端9的边缘打圆从而将最大接触压力梯度减小，此外，在内周唇部6的滑动面上还具有多个微小突起21，所以，从流体润滑逆理论推导可知U形密封圈2所形成的油膜变厚，同时在微小突起21间保持油膜，油膜保持能力有所提高，从而可以长期稳定地保持油膜，保持得较厚的油膜会使磨损更加难以进行，更加改善滑动时的磨损特性，可以得到比第1实施方式更优异的降低滑动发热的效果。此外，由于可以维持较厚的油膜，所以可以实现缓冲圈B的疲劳寿命、磨损寿命的延长。如图7所示，与以往的唇前端具有边缘的缓冲圈(图示：○)相比，本实施方式的唇前端9不具有边缘、且在唇滑动面上具有微小突起21的缓冲圈(图示：×)其滑动部油温度，即使压力升高也一直较低，所以，即使压力升高，与以往相比也可以一直持续降低滑动发热。另外，图7的结果是在杆径φ75、速度400mm/sec、行程1m的滑动条件下，所使用的油的商品名为ダフニ一ス一パ一ハィドロ#46(出光興産(株)製)时的滑动发热比较试验的结果。

(第3实施方式)

接下来，对第3实施方式进行说明。本实施方式的杆密封系统1的构成为，各密封部件的形状与第2实施方式相同。不同点是在缓冲圈B的材料中使用H-NBR。

图8是表示第3实施方式的缓冲圈的材料、压缩永久变形的比较的图。即，在图8中，PU、PU’、PU”是各不相同的PU材料，将这各种PU与本实施方式的H-NBR的压缩永久变形相比较。另外，NBR是用于与其他材料的例子作比较而列举的。

在第2实施方式中，可以降低滑动发热，实现缓冲圈B的疲劳寿命、磨损寿命的延长。其结果，通过将唇前端的边缘打圆从而将最大接触压力梯度减小，从而油膜变厚，维持了润滑，进而抑制了磨损。另外，通过增大剖面可以实现刚性的提高。因此，可以在缓冲圈B中使用材料强度比PU差但耐热性非常优异的H-NBR。如本实施方式所示，当在缓冲圈B中使用H-NBR时，可以得到比第2实施方式更优异的疲劳寿命延长效果。

Claims

1.一种密封系统，其构成为，在往复运动的2个部件间的环状间隙中从流体压侧向外部侧顺次配置缓冲圈、主密封件、防尘圈，其特征在于：

上述缓冲圈，是刚性高且能够确保较大的过盈量、由此能够使因压力变动引起的动作稳定、抑制滑动面从被滑动构件离开的部件，且该缓冲圈具有比上述主密封件大的剖面，所述剖面是指由包含该缓冲圈的轴中心线的平面所确定的剖面；并且该缓冲圈由将滑动侧唇的唇前端的边缘打圆从而减小了最大接触压力梯度的U形密封圈、和与该U形密封圈的踵状部的滑动侧踵状部分相接触保护该滑动侧踵状部分的挡圈构成；另外，上述缓冲圈相对于主密封件的外径比在大于1倍而小于等于2倍的范围内。

2.如权利要求1所述的密封系统，其特征在于，上述缓冲圈的U形密封圈的踵状部，其轴方向的长度占上述U形密封圈整体的轴方向长度的40～90％。