CN101555966A - 微观锯齿环密封对接结构 - Google Patents

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Abstract

一种微观锯齿环密封对接结构，锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，齿距Xs/齿高Zt约为20～500，可确保对接接触为“微观线后跟面中线接触”，既能轻易提供密封所必需的应力，又能有效保护接触线不受损坏，可用作各种表面(如平面与平面、锥面与锥面或球面、球面与球面或锥面等)对接的密封结构，简化和统一繁琐的平面对接密封垫的设计计算、制造、选用和安装维修，避免传统有形对接表面的研磨加工工序，提高密封对接的可靠性和资源利用率。如果适当配予槽垫密封结构，则可进一步增加结构的可靠性感和可靠性。可供选择的基本槽垫密封结构，有4种。

Description

微观锯齿环密封对接结构
技术领域
本发明属流体动力传递与介质输送工程领域，涉及流体通道固定对接(如管道与管道的固定对接)和活动对接(如阀门开关阀元或阀瓣与阀座的活动对接)的静态密封。
背景技术
流体动力传递与介质输送均需要用管道将包括阀门在内的各种压力设备连成一个封闭系统。压力设备内流体通道、压力设备与管道以及管道间的固定对接需要密封和紧固，阀门阀元或阀瓣与阀座的活动对接也需要密封和紧固或压紧，否则无法实现对介质的有控传递。相同的是，固定对接与活动对接都可通过平面与平面、锥面与锥面或球面、球面与球面或锥面等的对接实现，如管道法兰对接和ISO14313平板式闸阀开关都是通过平面与平面的对接实现的、ISO8434-2扩口式管对接和ISO15761楔板式闸阀开关都是通过锥面与锥面对接实现的、DIN7601挤压管对接和ISO17292球阀开关都是通过球面与锥面的对接实现的；不同的是，固定对接的频次低——只在安装和维修时发生，阀门阀元或阀瓣与阀座间的活动对接频次高——随关闭操作反复发生；但无论如何，两者都属用某种压紧力实现的静止密封对接，或都是在对接操作中有相对移动但不要求密封、在对接操作后无相对移动但要求密封，因而前者可叫固定对接静密封，后者可叫活动对接静密封。
由于普通金属加工表面在微观上总是凸凹不平的并是密封对接泄漏的唯一直接根源，因此，现有技术金属面的对接密封，不是靠压缩软材料变形地填平补齐对接表面的凸凹不平，就是靠研磨一类光整加工地去掉对接表面的凸凹不平。
用非金属软密封材料实现对接密封，除材料内部微隙带给对接新泄漏渠道外，密封材料的松弛或爬行、化学稳定性与兼容性、密封与强度的矛盾性(材料越软、对接密封性越好、但对接强度越低，反之亦然)、热稳定性等还带给对接许多麻烦，因此，出现了象ASME B16.5附录C和EN1514-1～-8标准那样品种繁多的密封垫及EN1591标准那样繁杂的垫密封法兰对接设计计算方法，出现了象US6092811、US6869081和US7255353专利那样复杂的密封垫，搞得专业工程技术人员都难于正确应用一个区区密封垫。
ISO10423标准规定了几种实现平面与平面的密封对接的无需研磨加工的金属-金属环接法兰密封结构，但其密封环只允许使用一次。US4940208、US4502663、US4262688、US4235418和US4147327披露了多种实现球面与球面或锥面的密封对接的金属-金属阀座密封结构，但至今未发现实际商业产品。EN1514-6标准和WO94/29620专利文献同时披露了现有技术宏观V形金属齿形密封垫的结构和严格要求。
显然，如果不用密封垫而直接用普通机械加工表面实现各种表面的密封对接，则岂不是一切密封对接的设计、制造、使用和维修都变得格外简单了吗？
发明内容
本发明的目的或要解决的技术问题是，简化和统一各种表面(如平面与平面、锥面与锥面或球面、球面与球面或锥面等)对接的密封结构，避免繁琐的平面对接密封垫的设计计算、制造、选用和安装维修，避免传统有形对接表面的研磨加工工序，提高密封对接的可靠性和资源利用率。
由机械加工工艺学可知，机械加工表面几何误差有表面粗糙度、表面波纹度和表面形状误差三种；表面粗糙度是由切削刃迹构成的轮廓元宽度较窄(或波长较短)的表面微观几何误差，其轮廓元宽度Xs/高度Zt＜50；表面波纹度是加工振动所致的轮廓元宽度稍宽(或波长稍长)的表面微观几何误差，其轮廓元宽度Xs/高度Zt＝50～1000；表面形状误差是机床导轨或工件安装夹紧所致的轮廓元宽度较宽(或波长较长)的表面宏观几何误差，其轮廓元宽度Xs/高度Zt＞1000。由于密封对接金属表面的普通加工手段是车或镗，属稍精细的机械加工范畴，需要使用稍高的主轴转速和稍细的进给速度，因此，振动所致的表面波纹度的波长较短，刃迹构成的粗糙度的波长更短；由于工件的安装夹紧误差可在相当程度上得到避免，因此，在加工表面上，就形状误差而言，往往只有导轨与主轴的平行度和垂直度所致的波长很长的形状误差；由于相对表面形状误差波长而言，密封环带较窄，因此，反映在对接密封面上的表面形状误差往往不会大于表面粗糙度和表面波纹度，或反映在对接密封面上的表面几何误差往往认为只有表面粗糙度和表面波纹度，例如，刀架横进给导轨与主轴不垂直所致的端面至多是一个均匀内凹或外凸不超过0.02∶500的圆锥面，反映在中空而又凸起的对接面上的凹凸变化幅度远不会超过表面粗糙度和表面波纹度的高度；所以，对接密封所需要填平补齐的是对接表面上较细腻的微观表面波纹度和粗糙度量级的凸凹不平。欧洲标准EN13555第5.2条更是明确认定，对接密封所需要填平补齐的是对接表面上表面粗糙度量级的凸凹不平。
由于现代普通车镗对接表面的水平是表面粗糙度不会粗过Ra1.6μm(参见ASME B46.1附图B1)，因此，为简化和统一各种表面(如平面与平面、锥面与锥面或球面、球面与球面或锥面等)对接的密封结构，特提出一种微观锯齿环密封对接结构，其特征是两个对接表面之一面是一个至少有一个微观锯齿环的有齿表面，之二面是一个光滑表面；所述锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，齿距Xs/齿高Zt约为20～500(对应轮廓元较宽的表面粗糙度和轮廓元较窄的表面波纹度的轮廓元宽度Xs/高度Zt)，确保对接接触为“微观线后跟面中线接触”。由于线接触的接触面积逼近零，接触应力逼近无穷大，因此，一对接受力，无论对接力多小，锯齿环刃都能变形地填平补齐对接表面上的微观凸凹不平而实现对接密封。由于紧跟在线接触后面的几乎是整个对接表面接触，因此，锯齿环刃一接触变形就受到面接触保护而避免被压钝化或避免被压消失，始终维持一条线接触。对接面上的各锯齿环可相继可相间，锯齿数量可多可少，锯齿方向可相同可相反；但是，齿高Zt决定线接触的变形量，齿距Xs/齿高Zt决定线后跟面的速度或决定对线接触的提供和保护程度。对同一个密封面而言，如果取较小的齿距Xs/齿高Zt值，则分摊力的齿数多，单齿线后跟面的速度慢；如果取较大值，则分摊力的齿数少，单齿线后跟面的速度快；虽然齿多齿少的单齿线后跟面的速度不一样，但总的线后跟面的速度有可能还是大体一样，或总的密封效果有可能还是大体一样；如果线后跟面的速度不一样，则速度快的，密封接触面积大，接触应力小，密封性下降，反之亦然。如果有对接磨损，则越磨损、越光滑、越有利密封。
为增加微观锯齿环密封的可靠性感和可靠性，特提出一种有附加密封垫槽和垫的微观锯齿环密封对接结构，其特征是两个对接表面之一面是一个至少有一个微观锯齿环的有齿表面，之二面是一个光滑表面，所述附加密封垫槽可全在所述有齿表面上，也可全在所述光滑表面上，还可部分在一面上、对应部分在另面上，位在所述锯齿环内侧或外侧或之间，用于容装密封垫，所述锯齿环的结构如前面所述。密封垫的体积及截面应与其槽的容积及截面相匹配，使其提供二次密封。
同样，为增加微观锯齿环密封的可靠性感和可靠性，还特提出一种有附加组合密封垫槽和垫的微观锯齿环密封对接结构，其特征是两个对接端之一端是一个中部凸起的端面，之二端是一个中部凹陷的端面；对接合拢时，至少形成一对通过微观锯齿环实现密封对接的对接表面(一面有微观锯齿环一面是光滑面)和一个组合密封垫槽，所述锯齿环可在所述垫槽内侧也可在所述垫槽外侧；所述垫槽用于容装密封垫，所述锯齿环的结构如前面所述。密封垫的体积及截面应与其槽的容积及截面相匹配，使其提供二次密封。
用微观锯齿环结构实现平面与平面的固定对接静密封的一个示例是，一种用微观锯齿环实现对接密封的广义法兰，其特征是两个所述法兰通过螺纹或螺栓实现紧固对接，通过微观锯齿环或通过有附加密封垫槽和垫的微观锯齿环实现密封对接；即两个对接的所述法兰端可有也可无附加密封垫槽和垫，但之一端至少有一个有微观锯齿环的有齿平面，之二端至少有一个与所述有齿平面啮合的光滑平面，所述螺纹或所述螺栓紧固对接结构可在密封对接结构内侧或外侧；所述微观锯齿环和所述有附加密封垫槽和垫的微观锯齿环结构分别如前所述。
用微观锯齿环密封对接结构实现平面与平面的活动对接静密封的一个示例是，一种用微观锯齿环实现关闭密封的平板闸阀，有一个矩形截面闸板横插在构成流体通道的两个闸板座环间，闸板座环与阀体是密封对接的或密封镶嵌的或一体的，闸板受阀杆操纵地在其座环间上下滑动，当闸板滑动到与其座环完全密封对接地阻断流体通道时为全闭，其特征是所述闸板通过其两个平行对接平面与其座环密封对接，在所述座环的对接面上至少有一个与流体通道同心的微观锯齿环，所述闸板的对接面是连续平面或环形凸面，所述微观锯齿环如前所述。
用微观锯齿环密封对接结构实现锥面与锥面的活动对接静密封的一个示例是，一种用微观锯齿环实现关闭密封的楔板闸阀，有一个楔形闸板横楔在构成流体通道的两个闸板座环间，闸板座环与阀体是密封对接的或密封镶嵌的或一体的，闸板受阀杆操纵地在其座环间楔进楔出，当闸板楔进到与其座环完全密封对接地阻断流体通道时为全闭，其特征是所述闸板通过其两个锥或楔对接平面与其座环密封对接，在所述座环的对接面上至少有一个环绕流体通道的微观锯齿环，所述闸板的对接面是连续平面或环形凸面，所述微观锯齿环如前所述。
用微观锯齿环密封对接结构实现球面与锥面或球面的活动对接静密封的一个示例是，一种用微观锯齿环实现关闭密封的球阀，有一个中间有个通孔的开关球横坐在构成流体通道的两个座环间，座环与阀体是密封滑动配合或是密封紧配合，开关球受阀杆操纵地在其座环间转动，当转动到其通孔与阀体流体通道轴线重合时为全开，与阀体流体通道轴线垂直时为全闭，其特征是所述开关球通过其球面与其座环密封对接，所述座环的对接面是一个用凹切圆锥面凹切有两个锯齿环的圆锥面(可叫被凹切圆锥面)，所述凹切圆锥面与所述被凹切圆锥面平行、并相对所述开关球心对称、并差Zt才与通过所述锯齿环顶的开关球面相切，即相对开关球面所述锯齿环高Zt；所述锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，所述齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，确保变形密封刃接触后面紧跟一个受力球面接触，保护密封接触面中始终有线接触。实际上，凹切圆锥面与被凹切圆锥面间的直线距离仅仅是锯齿环的宏观形式齿高，而真正起作用的锯齿环高是相对开关球面的微观齿高Zt。
由上述应用示例不难看出，微观锯齿环密封对接结构适合用作各种表面(如平面与平面、锥面与锥面或球面、球面与球面或锥面等)对接的密封结构。实际上，只要在稍凸起的有对接锯齿环结构的面上，由机床导轨平行度和垂直度以及工件装夹变形所致的表面形状误差轮廓元高度(误差轮廓波高度)，不大于切削振动所致的表面波纹度轮廓元高度和不大于切削刃迹所致的表面粗糙度轮廓元高度，那么，一切表面对接都可靠齿高稍大的微观锯齿环实现对接密封。例如，对于未列举到的截止阀、止回阀等阀门的关闭密封以及对于包括阀体对接和汽车引擎缸盖对接在内的一切经螺栓紧固的端面对接密封或一切不涉及与紧固螺纹垂直的端面对接密封，均可用微观锯齿环密封对接结构实现对接密封；对于涉及与紧固螺纹垂直的端面对接密封，只要保证端面和螺纹在同一次加工装夹中完成，即保证垂直度误差(表面形状误差)小于表面波纹度和表面波纹度，也可用微观锯齿环密封对接结构实现对接密封。也就是说，本发明的微观锯齿环密封对接结构适合一切表面的密封对接。
由于密封的实质是填平补齐对接表面的凸凹不平，因此，密封对接面越粗糙越不利对接密封的实现，越平滑越有利对接密封的实现。可是，对于靠非金属平垫实现密封对接的表面而言，是不允许过于平滑的，因为对接面平滑时密封垫将随对接应力松弛而被压飞出去；因此，ASME B16.5规定，平面对接的管法兰端面必须是有增粗槽的粗糙度为Ra3.2-6.3μm的表面。由于表面粗糙度Ra3.2-6.3μm是工业化初期的普通车镗水平，仅相当现代粗犷加工水平——现代普通车镗水平是内表面Ra3.2～Ra1.6μm、外表面Ra1.6～Ra0.8μm(参见ASME B46.1附图B1)，加之密封垫只能一次性使用，因此，可以说，诞生于工业化初期的伴随粗犷加工的垫密封技术是与现代科技加工时代格格不入的，或是延缓高能耗粗犷设备寿命，或是延长现代精细设备的粗犷加工时间，既伴随无畏地消耗地球资源，还伴随大量废弃密封垫污染环境。加之，微观锯齿环密封对接结构只有靠现代数控加工技术才可经济实现，所以，可以说，本发明的微观锯齿环密封技术是一项与时俱进的重大技术进步。
美国《ASME锅炉与压力容器法规VIII卷1册附录2》(简称《ASME法规》)提出两个密封垫系数m和y，用于垫密封法兰对接的载荷计算，并被欧洲采纳进EN13445标准；其y是无介质压力时密封垫实现密封所必须的最低密封应力(一般用0.14巴介质压力测试确定)，其m＝(W-A2P)/A1P是有介质压力时为维持对垫密封面的压缩载荷而需要通过法兰紧固螺检附加的压缩载荷系数，其中W＝总螺栓紧固力、A2＝垫内堂面积(相当于一个法兰端盖的介质作用面积)、A1＝垫密封面积、P＝介质压强。无疑，(W-A2P)是有介质压力时能在密封面上产生密封应力的力，A1P是介质在密封面上的去密封作用力，也就是说，密封结构的m＝密封面上的密封作用力/密封面上的介质去密封作用力，自密封结构的m＝反映在密封面上的介质密封作用力/密封面上的介质去密封作用力，非自密封结构的m＝密封面上的机械密封作用力/密封面上的介质去密封作用力，显然，m是一个大小与y无关的参数，而且m值越大，结构的密封可靠性越高；然而，《ASME法规》以及整个世界却一直还没触及和应用这些隐含密封规律。现在有效版本中的垫材与接触结构的m和y值大部分符合而小部分不符合其早期关系式：180(2m-1)2＝y，似乎《ASME法规》已发现其m和y值有问题。加之未将m和y与泄漏率相连，因此，美国压力容器研究院(BVRC)和EN13555分别提出了替代m和y的与紧密度或泄漏率有关的新密封垫参数，从此，垫密封的设计计算变得更复杂。然而，数十年来，美国的新参数测试标准，到《ASTM WK10193-2006螺栓紧固对接法兰密封垫的常数测试》已是第10稿但仍然未生效；虽然欧洲早就颁发了新密封垫参数测试标准EN13555，但仍然认可继续使用《ASME法规》的m和y；似乎，人们对两种新密封垫参数仍有质疑。
《ASME法规》的密封垫系数m和y是以对接泄漏和不泄漏为准确定的，美国BVRC的新密封垫参数是以对接紧密度为准确定的，EN13555的新密封垫参数是以对接泄漏率为准确定的。按照《ASME法规》的理念，密封垫实现密封所必须的最低密封应力是密封材料强度和密封表面结构的函数，对某种确定材料和确定结构而言，是一个与介质压力和接触面积无关的参数。按美国BVRC和EN13555的新理念，密封垫实现密封所必须的最低密封应力，除与密封材料强度和密封表面结构有关外，还与介质压力有关，因为其泄漏率与垫材内部微隙有关，有时将随介质压力增高而增大。也就是说，对某种确定材料和确定结构的密封对接而言，密封垫实现密封所必须的最低密封应力(单位面积上的压力)，按泄漏和不泄漏考虑，与介质压力和接触尺寸大小无关，按泄漏率考虑，则还与介质压力大小有关，但与接触尺寸大小无关。然而，中国的《实用阀门设计手册》和《球阀设计与选用》书中记载的实现密封所必须的最低密封应力(书中叫必需比压)是不涉及泄漏率的，但却涉及介质压力和接触尺寸大小，既不符合《ASME法规》理念，也不符合美国BVRC和EN13555新理念，相差十分悬殊，或许这就是中国对接密封与世界对接密封的差距。
本发明是在拓宽或延伸《ASME法规》的法兰垫密封理念的基础上产生的。
首先，本发明将通过螺纹或螺栓紧固实现对接的法兰对接密封，定义分为固定对接静密封；将阀门开关密封，定义为活动对接静密封；从而将《ASME法规》定义的法兰密封垫系数m和y，扩展到阀门开关密封设计。由于固定对接静密封与活动对接静密封的差别仅在于对接频次不同，因此，将《ASME法规》定义的m和y扩展来处理阀门开关密封是科学的。
其次，本发明将《ASME法规》的法兰垫系数m的隐含意义引申为明确的“密封结构的密封维持系数或抗干扰系数m(＝密封面上的密封作用力/密封面上的介质去密封作用力)”，并将密封接触面视为一个干扰脉冲放大器，从而应用m理念审视和设计一切密封结构，并通过提高结构m值地提高结构的密封可靠性。由于一旦密封对接受到干扰作用力而影响密封应力瞬间下降至某种程度时，介质将由局部至整体地迅速浸入密封接触面而产生一个“密封接触面积x介质压强”的去密封作用力，因此，任何密封接触面无疑都是一个干扰脉冲放大器，当然，“密封面上的密封作用力”相对“密封面上的介质去密封作用力”越大，即密封结构的m值越大，结构的密封可靠性越高、泄漏率越低，所以，毫无疑问，本发明新定义的密封维持系数或抗干扰系数m是符合客观实际的，并进一步地揭示出对接密封的普遍规律。对于某些自密封结构，密封面上的密封作用力和去密封作用力都是介质压力提供的，因此，无疑那些自密封结构的m＝介质的密封作用面积/介质的去密封作用面积；对于非自密封结构，显然密封面上的密封作用力是机械紧固力提供的，因此，非自密封结构的m＝密封面上的机械密封作用力/密封面上的介质去密封作用力。
最后，本发明根据《ASME法规》关于y值越小越好的含义，提出一个微观锯齿环密封对接结构，用逼近零接触面积的线接触实实在在地提供一个逼近无穷大的实现初始密封的实际应力，用线接触后紧跟的面接触或用小压力除以大面积的方式提供一个大小可忽略不计的《ASME法规》定义的最低密封应力y，乃至超越《ASME法规》地在密封对接设计中不再考虑y值影响，统一使密封对接设计变得象普通机械强度设计一样，只考虑相当于安全系数的密封抗干扰系数m。
由于某些自密封结构的密封维持系数m＝介质的密封作用面积/介质的去密封作用面积，因此，可以说，密封维持系数m是一个结构的固有参数，只与结构的介质作用面积大小有关，与密封材料强度和密封表面接触结构无关，或者说与无介质压力时密封所必须的最低密封应力y无关，并可通过改变结构和结构大小地改变大小，不是《ASME法规》提出的固定不变的零。例如，O形圈自密封结构的密封维持系数m就不等于零，并可通过改变O形圈容槽结构地改变O形密封圈的介质密封作用面积与介质去密封作用面积的比例即改变结构的m值，进而改变O形圈密封结构的密封可靠性。又例如，无论用什么密封材料，CN200810172828.X图7a的靠开关球03自动浮动在阀座02上实现关闭密封的球阀座的密封维持系数m就可随设计任意改变，图10的靠阀座02a和02b自动浮动在开关球03上实现关闭密封的球阀座的密封维持系数m＝1，图11a的靠阀座02a和02c自动浮动在开关球03上实现关闭密封的球阀座的密封维持系数m＝1.41。
由于非自密封结构的密封维持系数m＝密封面上的机械密封作用力/密封面上的介质去密封作用力，因此，可以说，密封结构的m只与产生密封的紧固力和产生去密封的介质作用力大小有关，与密封材料强度和密封表面接触结构无关，或者说与无介质压力时密封所必须的最低密封应力y无关，并可在材料强度许可范围内，通过改变结构和结构大小地改变大小，进而改变密封结构的可靠性。然而，《ASME法规》却用等式180(2m-1)2＝y将m与y关联在一起。
由于微观锯齿环密封对接结构的初始接触为线接触，材料越硬，接触面积越逼近零，因此，可以说，无论材料多强多硬，对接结构通过线接触实现初始密封所需的作用力都象软材料一样，都可小至忽略不计；也就是说，无论材料硬还是软，只要适时应用微观锯齿环密封结构，任何对接结构为实现初始密封所需的那份力均可做到忽略不计，或无介质压力时任何对接结构实现密封所必须的最低密封应力y均可做到忽略不计；加之，为承受极限工作压力那份强大的结构紧固力，在无介质压力时早已使对接结构充分实现初始密封，以至于任何对接结构的密封只需要附加一份维持和加强初始密封所需的由m值确定的力(等于m倍介质去密封作用力)，而且m值越大、结构的密封性越好、泄漏率越低。由于m＝1时，结构密封面上的密封作用力＝结构密封面上的介质去密封作用力，因此，m＝1时的密封结构应处在密封与非密封临界状态；也就是说，任何密封结构的m都应该大于1，并且稍大于1就可实现密封，然而，《ASME法规》的理念却不是如此，可以说它的密封与非密封的临界m＝0～6.5，并随密封材料和结构而变。
综上所述可知，本发明定义的“密封结构的密封维持系数或抗干扰系数m(＝密封面上的密封作用力/密封面上的介质去密封作用力)”，虽然包含在《ASME法规》定义的法兰垫系数m里，但却又完全不同于《ASME法规》现有理解和应用；本来任何业内科技人员，只要把《ASME法规》的原始定义稍加推敲，就可毫无疑问地象本发明一样，得出“m大小与y大小无关”的结论，然而，人们却一直束缚于《ASME法规》，始终将m和y的大小连在一起，一直未能触及其通过法兰垫系数m和y所揭示的伟大的密封对接的普遍规律。
所以，本发明是对《ASME法规》现有理念的一种发掘和突破。本发明的突破始于打破束缚地领会到，有介质压力时的密封结构的密封维持系数或抗干扰系数m大小虽然与无介质压力时的结构实现初始密封所必须的最低密封应力y大小无关，但“y值的可忽略性”却是m的理念和公式成立的或有意义的充要条件，或者说，只有将对接结构的y值降至可忽略不计时才能确保结构实现初始密封，只有对接结构实现初始密封时或只有对接结构有密封时才有“密封维持”可言或密封维持系数m才有意义，因此，本发明首先是创造出y值可忽略不计的微观锯齿环密封对接结构元，然后是应用微观锯齿环密封对接结构元和m理念创造出密封性能优异的对接结构和产品，实现前述发明目的。
附图说明
所有视图中的微观锯齿环都是夸大画的，其中Zt代表微观锯齿环齿高，Xs代表微观锯齿环齿距。
图1是本发明的无垫螺栓连接法兰，法兰A是对接端面上有4个微观锯齿环和一个宏观边缘支撑锯齿环的法兰，法兰B是对接端面光滑的法兰，通过螺栓提供紧固对接，通过微观锯齿环提供密封对接，通过边缘支撑锯齿环阻止法兰的紧固弯曲变形。
图2是本发明的两种有垫螺栓连接法兰，左右两边的剖视图各代表一种。左边的是有整体垫槽的螺栓连接法兰，法兰A是对接端面上有两个微观锯齿环、一个宏观边缘支撑锯齿环和一个垫槽的法兰，法兰B是对接端面光滑的法兰，通过螺栓提供紧固对接，通过微观锯齿环提供一次密封对接，通过自密封垫04a提供二次密封对接，通过边缘支撑锯齿环阻止法兰的紧固弯曲变形。右边的是有组合垫槽的螺栓连接法兰，法兰A是对接端面中部凸起的法兰，高阶端面是光滑表面，在低阶端面上有两个微观锯齿环和一个宏观边缘支撑锯齿环，法兰B是对接端面中部凹陷的法兰，高、低阶端面都是光滑表面，对接时，从里到外形成一对无齿对接面、一个密封垫槽、一对有齿对接面，通过螺栓提供紧固对接，通过无亲密接触的无齿对接消除对接干涉，通过微观锯齿环提供一次密封对接，通过自密封垫04b提供二次密封对接，通过边缘支撑锯齿环阻止法兰的紧固弯曲变形。
图3a～3c是图2的局部IIa放大视图，图3a的垫的压缩变形量大，因此，矩形截面垫04a变形为腰鼓形；图3b的垫的压缩变形量小，因此，垫04a的矩形截面形状几乎不变。图3d是图2的局部IIb放大视图，垫04b的截面形状为圆形。
图4是一种应用本发明的微观锯齿环实现关闭密封的平板闸阀，其法兰连接端和体连接结构(未画)与图2的左边法兰结构相同，其开关密封结构如其局部III的放大视图5所示。
图6是一种应用本发明的微观锯齿环实现关闭密封的楔板闸阀，其法兰连接端和体连接结构与图2的左边法兰结构相同，其开关密封结构如其局部IV的放大视图7所示。
图8是一种应用本发明的微观锯齿环实现关闭密封的浮动球阀，其开关密封结构如其局部V的放大视图9所示，其体密封结构如其局部VI的放大视图10所示。
图11和图12是本发明抽象出的四个典型垫密封结构，图11的垫容腔截面是正方形1-2-3-4，泄漏路径Li→Lo首先是1-4-3，属曲线泄漏型，图12的垫容腔截面是矩形1-2-3-4，泄漏路径Li→Lo是1-2，属直线泄漏型，但图11a和图12a的垫是填满填紧容腔的，无介质作用面积、无自密封性，图11b和图12b的垫未填满高压侧容腔，有介质作用面积、有自密封性。
具体实施方式
按照本发明，各种表面(如平面与平面、锥面与锥面或球面、球面与球面或锥面等)的对接密封，都可通过微观锯齿环密封对接结构实现；为增加微观锯齿环密封的可靠性感和可靠性，可在微观锯齿环内侧或外侧或之间附加一个密封槽垫密封对接结构，用微观锯齿环提供一次密封，用密封槽垫提供二次密封；附加的密封槽垫结构可归纳为曲漏型密封结构和直漏型密封结构，各自可按非自密封和自密封工作配装密封垫。
图1是用本发明的微观锯齿环实现密封对接的法兰，法兰A是对接端面上有4个微观锯齿环和一个宏观边缘支撑锯齿环的法兰，法兰B是对接端面光滑的法兰，通过螺栓提供紧固对接，通过微观锯齿环提供密封对接，通过边缘支撑锯齿环阻止法兰的紧固弯曲变形。
图2是用本发明的有附加密封槽垫的微观锯齿环实现密封对接的法兰，左边的是有整体垫槽的法兰，右边的是有组合垫槽的法兰。左边视图的法兰A是对接端面上有两个微观锯齿环、一个宏观边缘支撑锯齿环和一个整体垫槽的法兰，法兰B是对接端面光滑的法兰，通过螺栓提供紧固对接，通过微观锯齿环提供一次密封对接，通过自密封垫04a提供二次密封对接，通过边缘支撑锯齿环阻止法兰的紧固弯曲变形。右边视图的法兰A是对接端面中部凸起的法兰，其高阶端面是光滑表面，在低阶端面上有两个微观锯齿环和一个宏观边缘支撑锯齿环；法兰B是对接端面中部凹陷的法兰，其高、低阶端面都是光滑表面，对接时，从里到外形成一对无齿对接面、一个组合密封垫槽、一对有齿对接面；通过螺栓提供紧固对接，通过无齿对接面的无亲密接触对接消除对接干涉，通过微观锯齿环提供一次密封对接，通过自密封垫04b提供二次密封对接，通过边缘支撑锯齿环阻止法兰的紧固弯曲变形。图4和图8的座环02a与阀体01的密封对接也属有附加组合槽垫的微观锯齿环密封对接结构。
由于图1和图2法兰的宏观边缘支撑锯齿环的齿顶尖、高度高，必要时还可只保留螺栓附近局部齿环，因此，其强度可远小于微观锯齿环密封对接结构的强度，但又不失为紧固支撑，这样，既不影响微观锯齿环的密封对接又可避免传统法兰因无紧固支撑引起的紧固弯曲变形(《ASME法规》叫转动变形)。
图2左边的垫密封结构属直漏型，其泄漏路径是密封垫04a与法兰B的接合平面；图2右边的垫密封结构属曲漏型，其泄漏路径首先是密封垫04b与法兰B的接合曲面；如果对接后密封垫填满、填紧容腔，则垫无加强密封的介质作用面积，垫的密封应力只能由机械安装压紧力提供；如果对接后密封垫与容腔在高压侧有间隙，则垫有加强密封的介质作用面积，垫的密封应力随介质压力增加而增加。图2中的密封垫04a和04b都是按自密封配备的。
图2中的自密封垫04a的原始截面可以是图3a和图3b所示的矩形，也可以是图3c所示的圆形，其截面和体积大小应有利于密封垫在被对接压缩后，除其高压侧与容腔不发生径向亲密接触外，其它面与容腔均应是亲密接触，以使泄漏介质07能对密封垫产生密封作用力；图3a的垫的压缩变形量大，安装对接后截面由矩形变腰鼓形，图3b的垫的压缩变形量小，安装对接后截面仍然是矩形。
作为图2左视图法兰连接的自密封垫04a，如图3a～3c所示，其介质密封作用面积是nDka，其介质去密封作用面积是n(D+a)a，其“介质的密封作用面积/介质的去密封作用面积”＝k/(1+a/D)，因此，对于质地较软而逼近按液体传递压力的垫(其介质密封作用面上的介质压强全数转换为密封面上的密封应力)，k＞(1+a/D)时，密封才有保障，对于质地较硬而逼近按固体泊松变形传递压力的垫(其介质密封作用面上的介质压强至多半数转换为密封面上的密封应力)，k＞2(1+a/D)时，密封才有保障。对于图3c所示的圆截面密封垫04a，如果k≥4/n，则容腔高度ka将大于或等于垫截面直径，密封垫将因此失去初始密封应力而失去自密封力，因此，又应使k＜4/n。所以，圆截面密封垫的k值应当是：(1+a/D)＜k＜4/n。由此可见，对于直漏型自密封结构，矩型截面垫比圆截面密封垫的k值少一个极限限制因而可有更高的密封可靠性。
如图3d所示，图2中的自密封垫04b的原始截面应当是大小合适的圆形，容腔截面应当是正方形，以便对接合拢形成的容腔截面各边与垫的压接触长度为a′，各边与垫的未压接触玄长为k′a′，并使 k ′ > 2 . 如果 k ′ > 2 , 对于质地较软而逼近按液体传递压力的垫，则四个a′接触密封元的密封维持系数或抗干扰系数m值大致都接近大于
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对于质地较硬而逼近按固体泊松变形传递压力的垫，则至少靠近泄漏口的两个a′接触密封元的密封维持系数或抗干扰系数m值可始终大于1。由此可见，曲漏型O形密封垫的密封性能极佳。
图4是一种应用本发明的微观锯齿环实现关闭密封的平板闸阀，有一个矩形截面闸板03横插在构成流体通道的两个闸板座环02a间，受阀杆操纵地上下滑动；如其局部III的放大视图5所示，在座环02a与闸板03的对接面上有两个与流体通道同心的微观锯齿环，在阀体01与座环02a端面的对接面上也有一个与流体通道同心的微观锯齿环，在座环02a与阀体01间还有一个密封垫02b，当闸板滑动到其中间通孔与座环完全错开时，闸板03在介质压力推动下依次压下游座环02a、密封垫02b和阀体01，闸板与下游座环间通过微观锯齿环实现密封对接，座环与阀体间通过微观锯齿环和密封垫实现双重密封对接。闸板的对接面可以是连续平面也可以是环形凸台平面，密封垫02b可以是左边的非自密封矩形截面垫也可以是右边的自密封O形截面垫。未画出的阀盖/阀体对接，可同图6一样，通过有附加槽垫的微观锯齿环密封对接结构实现密封对接。
图6是一种应用本发明的微观锯齿环实现关闭密封的楔板闸阀，有一个楔形截面闸板03横楔在构成流体通道的两个与阀体01一体的闸板座环间，受阀杆06操纵地楔上楔下；如其局部IV的放大视图7所示，在座环与闸板03的对接面上有两个微观锯齿环，当闸板楔紧在座环间时，闸板在介质压力推动下进一步压紧在下游座环上，通过微观锯齿环实现密封对接。闸板的对接面可以是连续的也可以是环形凸起的，闸板座环与阀体可是密封镶嵌的也可是一体的。如图6所示，阀盖05与阀体01也是通过有附加槽垫的微观锯齿环密封对接结构实现密封对接的，其阀体端A与图2的左法兰A相同，其阀盖端B与图2的左法兰B相同。
图8是一种应用本发明的微观锯齿环实现关闭密封的浮动球阀，有一个中间有个通孔的开关球03横坐在构成流体通道的两个座环02a间，受阀杆06操纵转动；如其局部V的放大视图9所示，在座环02a与开关球03的对接圆锥面AB上有两个微观锯齿环a′和b′，在座环02a与阀体01对接端面上也有两个微观锯齿环(该齿环也可设在阀体上而不设在座环上)，在座环02a与阀体01间还有一个密封垫02b，当开关球转动到其中间通孔与阀体流体通道轴线垂直时，开关球03在介质压力推动下依次压下游座环02a、密封垫02b和阀体01，开关球与下游座环间通过微观锯齿环实现密封对接，座环与阀体间通过微观锯齿环和密封垫实现双重密封对接。座环02a内圆锥面AB上的锯齿环a′和b′是一个由凹切圆锥面a″b″形成的，凹切圆锥面a″b″与被凹切圆锥面AB平行、并相对开关球心对称、并差Zt才与通过锯齿环顶的开关球面相切，即相对开关球面，锯齿环仅仅高Zt；锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，确保变形密封刃接触后面紧跟一个受力球面接触，保护密封接触面中始终有线接触；实际上，凹切圆锥面a″b″与被凹切圆锥面AB间的直线距离仅仅是锯齿环的宏观形式齿高，而真正起作用的锯齿环高是相对开关球面的微观齿高Zt。如图8的局部VI的放大视图10所示，阀盖05与阀体01也是通过有附加槽垫04的微观锯齿环密封对接结构实现密封对接的，其阀体端与图2的左法兰A相当，其阀盖端与图2的左法兰B相当，只是它们的紧固不是通过螺栓而是通过螺纹实现的，或者说，这是一种广义法兰对接。
总之，图1所示的无槽垫的螺栓法兰对接、图2所示的有槽垫的螺栓法兰对接、图4所示的平板闸阀的开关对接以及图4、图6和图8所示的阀体01与阀盖05的对接都是通过微观锯齿环实现平面与平面对接密封的实例，图6所示的楔板闸阀的开关对接可以视为通过锯齿环实现(圆)锥面与(圆)锥面对接密封的实例，图8所示的浮动球阀的开关对接可以视为通过锯齿环实现球面与锥面对接密封的实例。如所有局部放大视图所示，微观锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，齿距Xs/齿高Zt约为20～500(对应轮廓元较宽的表面粗糙度和轮廓元较窄的表面波纹度的轮廓元宽度Xs/高度Zt)；对接面上的各锯齿环可相继可相间，锯齿数量可多可少，锯齿方向可相同可相反；但是，齿高Zt决定线接触的变形量，齿距Xs/齿高Zt决定线后跟面的速度或决定对线接触的提供和保护程度；对同一个密封面而言，如果取较小的齿距Xs/齿高Zt值，则分摊力的齿数多，单齿线后跟面的速度慢；如果取较大值，则分摊力的齿数少，单齿线后跟面的速度快；虽然齿多齿少的单齿线后跟面的速度不一样，但总的线后跟面的速度有可能还是大体一样，或总的密封效果有可能还是大体一样，都能确保对接接触为“微观线后跟面中线接触”。由于线接触的接触面积逼近零，接触应力逼近无穷大，因此，一对接受力，无论对接力多小，锯齿环刃都能变形地填平补齐对接表面上的微观凸凹不平而实现对接密封。由于紧跟在线接触后面的几乎是整个对接表面接触，因此，锯齿环刃一接触变形就受到面接触保护而避免被压钝化或避免被压消失，始终维持一条线接触。如果线后跟面的速度不一样，则速度快的，密封接触面积大，接触应力小，密封性下降，反之亦然。
图11和图12是从本发明的有槽垫密封对接结构中抽象出的四种典型垫密封结构。图11所示的是一种曲线泄漏型，其垫容腔截面是正方形1-2-3-4，其泄漏路径Li→Lo首先是1-4-3，其次是1-2-3，因为1-4面和2-3面的面积和应力相等，3-4面比1-2面的面积大、应力小；图12所示的是一种直线泄漏型，其垫容腔截面是矩形1-2-3-4，其泄漏路径Li→Lo是1-2；但是，图11a和图12a的垫是填满填紧容腔的，无介质作用面积、无自密封性，图11b和图12b的垫未填满高压侧容腔，有介质作用面积、有自密封性。其实，这也是普通垫密封结构的典型结构。对于质地较软而逼近按液体传递压力的垫，如橡胶垫，有体积不可压缩性和不可恢复的压缩变形，宜选自密封结构以利用固定变形加强密封；对于体积可压缩的柔性石墨，宜选非自密封结构以预先适当均衡消除材料体的各向泄漏间隙；对于直线泄漏型自密封结构，如图12b所示，宜选矩形截面垫，对于曲线泄漏型自密封结构，如图11b所示，宜选O形截面垫，以提高密封结构的密封维持系数或抗干扰系数m值(参见前面图3结构说明)。
前面所述的有附加组合密封槽垫的微观锯齿环密封对接结构中的附加槽垫密封结构，可以是图11a的非自密封型，也可以是图11b的自密封型；前面所述的有附加整体密封槽垫的微观锯齿环密封对接结构中的附加槽垫密封结构，可以是图12a的非自密封型，也可以是图12b的自密封型。

Claims (7)

1一种微观锯齿环密封对接结构，其特征是两个对接表面之一面是一个至少有一个微观锯齿环的有齿表面，之二面是一个光滑表面；所述锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，齿距Xs/齿高Zt约为20～500(对应轮廓元较宽的表面粗糙度和轮廓元较窄的表面波纹度的轮廓元宽度Xs/高度Zt)，确保对接接触为“微观线后跟面中线接触”。
2一种有附加密封垫槽和垫的微观锯齿环密封对接结构，其特征是两个对接表面之一面是一个至少有一个微观锯齿环的有齿表面，之二面是一个光滑表面，所述附加密封垫槽可全在所述有齿表面上，也可全在所述光滑表面上，还可部分在一面上、对应部分在另面上，位在所述锯齿环内侧或外侧或之间，用于容装密封垫，所述锯齿环如权利要求1所述。
3一种有附加组合密封垫槽和垫的微观锯齿环密封对接结构，其特征是两个对接端之一端是一个中部凸起的端面，之二端是一个中部凹陷的端面；对接合拢时，至少形成一对通过微观锯齿环实现密封对接的对接表面(一面有微观锯齿环一面是光滑面)和一个组合密封垫槽，所述锯齿环可在所述垫槽内侧也可在所述垫槽外侧；所述垫槽用于容装密封垫，所述锯齿环如权利要求1所述。
4一种用微观锯齿环实现对接密封的广义法兰，其特征是两个所述法兰通过螺纹或螺栓实现紧固对接，通过微观锯齿环或通过有附加密封垫槽和垫的微观锯齿环实现密封对接；即两个对接的所述法兰端可有也可无附加密封垫槽和垫，但之一端至少有一个有微观锯齿环的有齿平面，之二端至少有一个与所述有齿平面啮合的光滑平面，所述螺纹或所述螺栓紧固对接结构可在密封对接结构内侧或外侧；所述锯齿环如权利要求1所述，所述有附加密封垫槽和垫的微观锯齿环结构分别如权利要求2或3所述。
5一种用微观锯齿环实现关闭密封的平板闸阀，有一个矩形截面闸板横插在构成流体通道的两个闸板座环间，闸板座环与阀体是密封对接的或密封镶嵌的或一体的，闸板受阀杆操纵地在其座环间上下滑动，当闸板滑动到与其座环完全密封对接地阻断流体通道时为全闭，其特征是所述闸板通过其两个平行对接平面与其座环密封对接，在所述座环的对接面上至少有一个与流体通道同心的微观锯齿环，所述闸板的对接面是连续平面或环形凸面，所述锯齿环如权利要求1所述。
6一种用微观锯齿环实现关闭密封的楔板闸阀，有一个楔形闸板横楔在构成流体通道的两个闸板座环间，闸板座环与阀体是密封对接的或密封镶嵌的或一体的，闸板受阀杆操纵地在其座环间楔进楔出，当闸板楔进到与其座环完全密封对接地阻断流体通道时为全闭，其特征是所述闸板通过其两个锥或楔对接平面与其座环密封对接，在所述座环的对接面上至少有一个环绕流体通道的微观锯齿环，所述闸板的对接面是连续平面或环形凸面，所述锯齿环如权利要求1所述。
7一种用微观锯齿环实现关闭密封的球阀，有一个中间有个通孔的开关球横坐在构成流体通道的两个座环间，座环与阀体是密封滑动配合或是密封紧配合，开关球受阀杆操纵地在其座环间转动，当转动到其通孔与阀体流体通道轴线重合时为全开，与阀体流体通道轴线垂直时为全闭，其特征是所述开关球通过其球面与其座环密封对接，所述座环的对接面是一个用凹切圆锥面凹切有两个锯齿环的圆锥面(可叫被凹切圆锥面)，所述凹切圆锥面与所述被凹切圆锥面平行、并相对所述开关球心对称、并差Zt才与通过所述锯齿环顶的开关球面相切，即相对开关球面所述锯齿环高Zt；所述锯齿环的齿顶为刃，刃尖角或齿顶角约为90°～120°，所述齿高Zt约为10～20倍密封表面粗糙度Ra值，确保变形密封刃接触后面紧跟一个受力球面接触，保护密封接触面中始终有线接触。
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