CN101988580B - 密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使降低了硬度也能够发挥良好的密封性能的密封装置。由硬度Hs为90的橡胶状弹性体构成的密封装置的特征在于，当将与环状槽(20)的槽底面(21)接触的第一唇部(11)的顶端(11a)处的直径设定为R1、将以自如地滑动的方式与轴(3)的外周面(30)接触的第二唇部(12)的顶端(12a)处的直径设定为R2、将槽底面(21)的直径设定为r1、将轴外周面(30)的直径设定为r2时，满足|R1-R2|/2＝(|r1-r2|/2)×1.3(±0.03)，当将受压槽(13)的槽底处的外径设定为R3、将受压槽(13)的槽底处的内径设定为R4时，满足4≤((R3-R4)/|r1-r2|-1)×100≤8，基部(10)的内周面(14)为锥面，该锥面朝向低压侧以使基部(10)的径向截面宽度逐渐减小的方式倾斜，该锥面相对于轴向所成的倾斜角度α满足3°≤α≤7°。

Description

密封装置

技术领域

本发明涉及油压缸等所使用的密封装置。

背景技术

参照图8～图10来说明现有技术的密封装置。图8是现有技术的密封装置的示意性的半剖图。图9是表示现有技术的密封装置的使用时的情形的示意性的半剖图，其中(a)表示了无压力时的情形，(b)表示了加压时的情形。图10是表示现有技术的密封装置的接触表面压力分布的图，其中(a)表示了低压时的接触表面压力分布，(b)表示了高压时的接触表面压力分布。

作为油压缸的活塞杆用(rod)的密封装置，以往使用如图8所示的唇形密封件100。唇形密封件100是环状的密封构件，安装在设置于油压缸内周面的环状槽中来使用。

唇形密封件100包括：向径向内侧突出的内周唇部101、向径向外侧突出的外周唇部102、以及在唇形密封件100承受压力的高压侧的端面向轴向凹陷的、截面近似为U状的环状的槽(以下称为U形槽)103。

唇形密封件100的内周侧和外周侧分别紧贴活塞杆外周面和环状槽的槽底面，并且在设置有内周唇部101和外周唇部102的部分接触表面压力变高，从而防止油压缸内的工作油泄露到外部。

唇形密封件100的材料是根据使用条件而从各种材料中选择出来的，代表性地选择黑橡胶材料和聚氨酯材料中的任一种。黑橡胶材料优于耐油性、耐压缩永久变形性。另一方面，聚氨酯材料优于耐压、耐磨损性。

作为使用条件，在压力高、润滑差这样的条件下，选定聚氨酯材料。但是，由于聚氨酯材料一般硬度高，因此有时难以将其安装在安装槽中。在这样的情况下，选定硬度较低的聚氨酯材料(Hs(JIS A)90左右)。顺便提及的是，一般的唇形密封件所使用的聚氨酯材料的硬度为Hs94左右，黑橡胶材料的硬度为Hs90左右。

唇形密封件100，通过施加于接触对象面的接触表面压力的梯度来控制通过唇形密封件100的油膜的厚度(使得向内返回的油膜的厚度大于向外透出的油膜的厚度)，由此发挥优良的密封性能。但是，在为由低硬度的聚氨酯材料形成的唇形密封件100的情况下，加压时的变形量大(参照图9)。另外，存在着与此相伴唇部侧的表面压力梯度变得平缓而导致密封性能降低的情况(参照图10)。

并且，如果使材料为低硬度材料，则唇形密封件100的耐压性也容易下降。例如，由于加压时的变形量大，因而会产生向环状间隙的挤出，从而导致容易发生破损等。因此，不得不考虑耐压性来设计唇形密封件100的形状。

现有技术文献

专利文献1：日本专利文献特开2008-128377号公报。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术的问题而完成的，其目的在于提供一种即使降低了硬度也能够发挥优良的密封性能的密封装置。

为了达到上述目的，本发明的密封装置安装在环状槽中，所述环状槽设置在相对地进行往复移动的轴和具有该轴所插入的轴孔的壳体中的一个部件上，所述密封装置对所述轴与所述壳体这两个部件之间的环状间隙进行密封，所述密封装置的特征在于，包括：

环状的基部，容纳在所述环状槽中；

第一唇部，设置在所述基部的高压侧并设置在内周侧或外周侧，与所述环状槽的槽底面接触；

第二唇部，设置在所述基部的高压侧并设置在与设置第一唇部的内周侧或外周侧相反的外周侧或内周侧，以自如地滑动的方式与所述轴和所述壳体中的未设置有所述环状槽的另一个部件的周面接触；以及

受压槽，在所述第一唇部与所述第二唇部之间向高压侧开口，承受从高压侧作用的压力而提高所述第一唇部和所述第二唇部的密合性；

所述密封装置由硬度Hs为90的橡胶状弹性体构成，

当将所述第一唇部的顶端处的直径设定为R1、将所述第二唇部的顶端处的直径设定为R2、将所述环状槽的槽底面的直径设定为r1、将所述未设置有所述环状槽的另一个部件的周面的直径设定为r2时，

满足|R1-R2|/2＝(|r1-r2|/2)×1.3(±0.03)(1)，

当将所述受压槽的槽底处的外径设定为R3、将所述受压槽的槽底处的内径设定为R4时，

满足4≤((R3-R4)/|r1-r2|-1)×100≤8(2)，

所述基部的设置所述第二唇部的外周侧或内周侧的周面为锥面，该锥面以随着接近低压侧、所述基部的径向截面宽度逐渐减小的方式倾斜，该锥面相对于轴向所成的倾斜角度α满足3°≤α≤7°(3)。

根据本发明，通过将唇形密封件的R1～R4的尺寸设定为满足上述关系式(1)、(2)，能够将唇顶端侧的表面压力梯度维持为高的状态，能够在唇顶端产生接触表面压力的峰值。由此，接触表面压力的表面压力梯度在高压侧成为高的状态，向高压侧通过的油膜的厚度变薄，从而能够减少工作油的泄露。因此，能够确保稳定的密封性能。

另外，根据本发明，通过将唇形密封件的R3、R4、α的尺寸设定为满足上述关系式(2)、(3)，能够抑制加压时的基部的变形，并且形成为基部的低压侧端部的另一方的周侧的边缘从环状间隙避开的结构。由此，能够抑制由于向环状间隙的挤出而导致的破损等，从而能够提高耐压性。

根据本发明，即使降低了硬度，也能够发挥优良的密封性能。

附图说明

图1是本发明的实施例的密封装置的示意性的半剖图；

图2是本发明的实施例的密封装置的示意性的半剖图；

图3是表示本发明的实施例的密封装置的接触表面压力分布的图；

图4是表示评价试验的结果的图表；

图5是耐压性确认试验的试验装置的示意图；

图6是制品低温偏心追随性确认试验的试验装置的示意图；

图7是表示密封装置的接触表面压力分布的图；

图8是现有技术的密封装置的示意性的半剖图；

图9是表示现有技术的密封装置的使用时的情形的示意性半剖图；

图10是表示现有技术的密封装置的接触表面压力分布的图。

附图标记说明：

1唇形密封件(密封装置)         10基部

11外周唇部(第一唇部)          12内周唇部(第二唇部)

13U形槽(受压槽)               2壳体

20环状槽                      21槽底面

3轴                           30外周面

具体实施方式

以下，参照附图并基于实施例来例示性地、详细地说明用于实施本发明的方式。关于本实施例所记载的构成构件的尺寸、材质、形状、以及它们的相对配置等，只要没有特别地进行特定的记载，则本发明的范围不仅限于本实施例中的记载内容。

(实施例)

参照图1～图3来说明本发明的实施例的密封装置。图1是本实施例的密封装置的示意性的半剖图。图2是本实施例的密封装置的示意性的半剖图，其中(a)说明了唇部的过盈量的尺寸设定，(b)说明了U形槽中的压缩余量的尺寸设定，(c)说明了基部的锥面的倾斜角度设定。图3是表示本实施例的密封装置的接触表面压力分布的图，其中(a)表示了低压时的接触表面压力分布，(b)表示了高压时的接触表面压力分布。另外，在图2的(a)、(b)中，为了以便于理解的方式表示尺寸设定，以未产生变形的状态表示了密封装置。

<密封装置的概要和结构>

本实施例的密封装置是油压缸中的活塞杆用的密封装置，是为了在活塞杆的往复移动过程中防止油压缸内的工作油泄露到外部而设置的唇形密封件。

如图1所示，本实施例的唇形密封件1为环状的密封部件，包括：环状的基部10、作为第一唇部的外周唇部11、作为第二唇部的内周唇部12、以及作为受压槽的U形槽13。作为唇形密封件1的材料，使用硬度Hs为90的、硬度较低的聚氨酯橡胶。

如图2所示，唇形密封件1对具有轴孔的壳体(housing)(油压缸)2与插入到该轴孔内的轴(活塞杆)3之间的环状间隙进行密封。唇形密封件1形成为在基部10的轴向的一侧(高压(H)侧)的区域设置有外周唇部11、内周唇部12、以及U形槽13的结构。唇形密封件1安装在设置于壳体2的轴孔的内周面的环状槽20中。

基部10形成为在高压(H)侧支撑外周唇部11和内周唇部12的结构。另外，基部10的内周面(另一方的周侧的周面)14为锥面，该锥面以随着接近低压(L)侧、基部10的径向截面宽度逐渐减小的方式倾斜。由此，形成为基部10的低压侧端面的内周缘从环状间隙避开的结构。

外周唇部11形成为从基部10的外周侧向轴向并向径向外侧突出的结构，其唇顶端向径向外侧突出。外周唇部11的唇顶端11a的直径被设定得大于环状槽20的槽底面21的直径，该外周唇部11的唇顶端11a在唇形密封件1的外周侧的区域以最高的表面压力与环状槽20的槽底面21接触。

内周唇部12形成为从基部10的内周侧向轴向并向径向内侧突出的结构，其唇顶端向径向内侧突出。内周唇部12的唇顶端12a的直径被设定得小于轴3的外周面30的直径，该内周唇部12的唇顶端12a在唇形密封件1的内周侧的区域以最高的表面压力按照能够自如地滑动的方式与轴3的外周面30接触。

U形槽13沿基部10的圆周设置成环状，并在外周唇部11与内周唇部12之间向高压(H)侧开口。U形槽13构成为：通过承受从高压(H)侧作用的压力(油压)P，提高外周唇部11和内周唇部12对于环状槽20的槽底面21和轴3的外周面30的密合性。

<密封装置的尺寸设定>

对本实施例的唇形密封件1的各种尺寸设定进行说明。

<唇部的过盈量>

如图2的(a)所示，本实施例的唇形密封件1构成为：

当将外周唇部11的顶端处的直径设定为R1(mm)、将内周唇部12的顶端处的直径设定为R2(mm)、将环状槽20的槽底面21的直径设定为r1(mm)、将轴3的外周面30的直径设定为r2(mm)时，

满足|R1-R2|/2＝(|r1-r2|/2)×1.3(±0.03)  (1)。

即，R1和R2被设定为：唇形密封件1的唇部截面宽度(|R1-R2|/2)相对于唇形密封件1的安装空间的宽度(|r1-r2|/2)为127～133％。

《U槽中的压缩余量》

如图2的(b)所示，本实施例的唇形密封件1构成为：

当将U形槽13的槽底13a处的外径设定为R3(mm)、将U槽13的槽底13a处的内径设定为R4(mm)时，

满足4≤((R3-R4)/|r1-r2|-1)×100≤8  (2)。

即，R3和R4被设定为：U形槽底部处的唇形密封件1的截面宽度((R3-R4)/2)相对于唇形密封件1的安装空间的宽度(|r1-r2|/2)的压缩余量为4～8％。

《基部锥面的倾斜角度》

如图2的(c)所示，本实施例的唇形密封件1构成为：

为锥面的基部10的内周面14相对于轴向所成的倾斜角度α满足

3°≤α≤7°(3)。

<接触表面压力分布>

参照图3来说明本实施例的唇形密封件1的接触表面压力分布。作为比较，通过虚线表示了现有技术的唇形密封件的接触表面压力分布。

这里，对其调查了接触表面压力分布的、本实施例的唇形密封件1的具体的尺寸设定如下。

唇形密封件1的轴向宽度：10mm，

基部10的外径：φ88.7mm，

基部10的最小的内径(内周唇部12的根部处的内径)：φ76.5mm，

外周唇部11的唇顶端11a的直径：φ91.2mm，

内周唇部12的唇顶端12a的直径：φ74.3mm，

U形槽13的深度：3.2mm，

从外周唇部11的轴向端面到外周唇部11与基部10的外周面之间的交界线为止的轴向的宽度：3.9mm，

从内周唇部12的轴向端面到内周唇部12与基部10的内周面14之间的交界线为止的轴向的宽度3.7mm。

另外，唇形密封件1的安装空间的各尺寸如下。

轴3的外周面30的直径：φ75mm，

环状槽20的槽底31的直径：φ88mm，

环状槽20的轴向宽度：11mm。

如图3所示，关于本实施例的唇形密封件1，明确了以下事实：即使在从高压(H)侧作用于唇形密封件1的压力为较低的低压(10Mpa)时(图3的(a))，即使在提高压力而使从高压(H)侧作用的压力变成了较高的高压(21Mpa)(图3的(b))时，都能够将唇顶端侧的表面压力梯度维持为高的状态。另外，其结果是，明确了以下事实：如图中的箭头X所示，本实施例的唇形密封件1在唇顶端12a处产生了接触表面压力的峰值。

该效果主要是由于将唇形密封件1的R1～R4的尺寸设定成满足上述关系式(1)、(2)而带来的。通过该效果，接触表面压力的表面压力梯度在高压(H)侧成为高的状态，使得向高压(H)侧(即大气侧)通过的油膜的厚度变薄，从而能够减少工作油向外部的泄露。因此，能够确保稳定的密封性能。

另一方面，在现有示例中，明确了以下事实：唇顶端侧的表面压力梯度变得平缓，另外未形成如本实施例那样的接触表面压力的峰值。

另外，如图3中的箭头Y所示，明确了以下事实：与现有示例相比，基部10的低压(L)侧部位的接触表面压力减小了。该效果主要是由于将唇形密封件1的R3、R4、α的尺寸设定成满足上述关系式(2)、(3)而带来的。由此，由于能够抑制加压时的基部10的变形，并且形成为基部10的低压(L)侧端部的内周缘从环状间隙避开的结构，所以能够抑制由于向环状间隙的挤出而导致的破损等。因此，提高了唇形密封件1的耐压性。

另一方面，在现有示例中，由于基部的低压侧部位的接触表面压力高，因此在加压时基部容易发生变形，基部的低压侧端部的内周缘容易挤出到环状间隙。因此，可能会由于向环状间隙的挤出而导致破损等。

<评价试验>

关于对满足上述关系式(1)、(2)、(3)的实施例的唇形密封件的性能评价，将不满足上述关系式(1)、(2)、(3)中的任一关系式的唇形密封件作为比较例而进行了评价试验。图4表示了其结果。图4是表示评价试验的结果的图表。针对5个项目(偏心追随性、磨损、U形槽底部的破损、挤出、接触表面压力)进行了评价。

关于评价项目中的磨损、挤出、U形槽破损，通过耐压性确认试验的实施结果进行了判定。使用图5所示的试验装置进行了该试验。图5是表示耐压性确认试验所使用的试验装置的结构的示意图。

在该试验中，将作为试验对象的两个唇形密封件分别安装在设置于油压缸200的内周面的两个环状槽201中，从加压泵202向被安装了的两个试验对象品之间的密封空间导入预定的压力，使活塞杆203相对于油压缸200进行往复移动。从加压泵202导入的压力为21MPa，以2秒/2.5秒来转换压力的施加(0n)/解除(off)。另外，温度为100℃，活塞杆203的行程为±40mm，频率为1Hz，进行了10万次的加压。204是用于调整挤出间隙的空间。

另外，关于评价项目中的偏心追随性，通过制品低温偏心追随性确认试验的试验结果进行了判定。使用图6所示的试验装置进行了该试验。图6是表示制品低温偏心追随性确认试验所使用的试验装置的结构的示意图。

在该试验中，将作为试验对象的两个唇形密封件分别安装在设置于油压缸300的内周面的两个环状槽301中，从加压泵302向被安装了的两个试验对象品之间的密封空间导入预定的压力，使活塞杆303相对于油压缸300进行偏心运动(图中的箭头的方向)。在从加压泵302导入的压力为1MPa，频率为1Hz，温度为-10℃、-15℃、-20℃，振幅(mm)为±0.1、±0.2、±0.3、±0.4、±0.5的条件下进行了试验，观察了低温用工作油(MobilOil MIL-H-5606)的泄露等。

这里，各个实施例和各个比较例中的唇形密封件的结构如下。

实施例1：关于关系式(1)～(3)分别设计成中心值的唇形密封件。

实施例2：关于关系式(1)～(3)分别设计成下限值的唇形密封件。

实施例3：关于关系式(1)～(3)分别设计成上限值的唇形密封件。

比较例1：关于关系式(1)设计成超过下限值，关于关系式(2)、(3)分别设计成中心值的唇形密封件。

比较例2：关于关系式(1)设计成超过上限值，关于关系式(2)、(3)分别设计成中心值的唇形密封件。

比较例3：关于关系式(2)设计成超过下限值，关于关系式(1)、(3)分别设计成中心值的唇形密封件。

比较例4：关于关系式(2)设计成超过上限值，关于关系式(1)、(3)分别设计成中心值的唇形密封件。

比较例5：关于关系式(3)设计成超过下限值，关于关系式(1)、(2)分别设计成中心值的唇形密封件。

比较例6：关于关系式(3)设计成超过上限值，关于关系式(1)、(2)分别设计成中心值的唇形密封件。

如图4的试验结果所示，明确了以下事实：在不满足关系式(1)～(3)中的任一关系式的比较例1～6的情况下，在5个评价项目中的某个评价项目中发生了某种不良情形。另一方面，在实施例1～3的情况下，在所有5个评价项目中，获得了满足作为制品的合格标准的评价。这里，在各个评价项目的评价标准中，在发生了无法满足作为制品来使用的某种不良情形的情况下标注×，在未发生不良情形的情况下标注○，在未发生不良情形并获得了表示特别优良的性能的结果的情况下标注◎。

关于关系式(1)，在唇形密封件的过盈量小于127％的情况下(比较例1)，获得了基于偏心追随性的密封性能下降(在发生了偏心时密封件脱落)的结果。另一方面，在唇形密封件的过盈量大于133％的情况下(比较例2)，压缩余量变大，在唇部始终作用有强力，因此容易产生油膜断裂，磨损变大。

关于关系式(2)，在U形槽底部的压缩余量小于4％的情况下(比较例3)，在U形槽底部发生了龟裂。另一方面，在压缩余量大于8％的情况下(比较例4)，由于压缩余量变大，因而在唇部始终作用有强力，因此容易发生油膜断裂，磨损变大。

关于关系式(3)，在唇形密封件中段的锥面的倾斜角度小于3°的情况下(比较例5)，容易发生由于挤出而导致的破损。另一方面，在锥面的倾斜角度大于7°的情况下(比较例6)，表面压力梯度变得平缓，密封性能下降。

这里，关于关系式(3)，图7表示了由于锥面的倾斜角度的变化而导致的表面压力梯度的变化。图7是表示加压时的唇形密封件的接触表面压力分布的图，其中(a)表示了锥面的倾斜角度为2°的情况，(b)表示了锥面的倾斜角度为3°的情况，(c)表示了锥面的倾斜角度为5°的情况，(d)表示了锥面的倾斜角度为7°的情况，(e)表示了锥面的倾斜角度为8°的情况。

如图7所示，锥面的倾斜角度越小，唇顶端的表面压力就变得越大。如果唇顶端的表面压力变得过大，则可能会由于唇顶端的磨损而导致密封耐久性下降。另一方面，随着锥面的倾斜角度变大，唇顶端的表面压力逐渐变小，表面压力梯度变得平缓。如果表面压力梯度变得过于平缓、唇顶端的表面压力消失(图7的(e))，则密封性能可能会下降。

如上所述，根据本实施例，即使降低了硬度，也能够发挥良好的密封性能。

在上述说明中，说明了唇形密封件为活塞杆用的密封装置的情况、即安装在设置于油压缸上的环状槽中的结构。但是，能够应用本发明的结构不限于此。例如，在唇形密封件为活塞用的密封装置的情况下、即为了在活塞杆的往复移动过程中保持油压而将唇形密封件安装在设置于活塞外周的环状槽中以对油压缸和活塞之间的环状间隙进行密封的情况下，本发明也能够得到很好的应用。

Claims (1)

1.一种密封装置，安装在环状槽中，所述环状槽设置于相对地进行往复移动的轴和具有该轴所插入的轴孔的壳体中的一个部件，所述密封装置对所述轴与所述壳体这两个部件之间的环状间隙进行密封，所述密封装置的特征在于，包括：

环状的基部，其被容纳在所述环状槽中；

第一唇部，其设置在所述基部的高压侧且设置在所述基部的一周侧，与所述环状槽的槽底面接触；

第二唇部，其设置在所述基部的高压侧且设置在所述基部的另一周侧，以自如地滑动的方式与所述轴和所述壳体中的另一个部件的周面接触；以及

受压槽，其在所述第一唇部与所述第二唇部之间向高压侧开口，承受从高压侧作用的压力而提高所述第一唇部和所述第二唇部的密合性；

所述密封装置由硬度Hs为90的橡胶状弹性体构成，

当将所述第一唇部的顶端处的直径设定为R1、将所述第二唇部的顶端处的直径设定为R2、将所述环状槽的槽底面的直径设定为r1、将所述另一个部件的周面的直径设定为r2时，

满足|R1-R2|/2＝(|r1-r2|/2)×1.3(±0.03)，

当将所述受压槽的槽底处的外径设定为R3、将所述受压槽的槽底处的内径设定为R4时，

满足4≤((R3-R4)/|r1-r2|-1)×100≤8，

所述基部的所述另一周侧的周面为锥面，该锥面以随着接近低压侧、所述基部的径向截面宽度逐渐减小的方式倾斜，该锥面相对于轴向所成的倾斜角度α满足3°≤α≤7°。

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