CN102128720B

CN102128720B - 一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口

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Publication number: CN102128720B
Application number: CN2011100026953A
Authority: CN
Inventors: 刘兴华; 王汝维; 酒建刚; 樊志强; 刘福水
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102128720A

Abstract

本发明涉及一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，属于定容弹设计和密封技术领域；具体包括端盖、套筒、光学玻璃、螺栓、第一密封垫和第二密封垫。端盖包括观察孔、圆柱环凸出端面、螺纹孔端面、光学玻璃沉孔座端面以及外沿；端盖的光学玻璃沉孔座端面上依次放置第一密封垫、光学玻璃、第二密封垫，四者的中心同轴；套筒置于第二密封垫的另一端，覆盖光学玻璃和第二密封垫，其通孔与端盖螺纹孔端面的螺纹孔对上，通过螺栓固定使光学玻璃压紧，形成初始的密封条件。本发明采用了自紧式密封形式，压力越高的环境下密封效果越好；减少了光学玻璃安装的时间，解决了损坏光学玻璃和经常更换密封垫片的问题，同时定容弹的密封性能也得到极大的提升。

Description

一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口

技术领域

本发明涉及一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，属于定容弹设计和密封技术领域。

背景技术

定容弹由于成本较低，方便改变单一参数对燃烧过程产生影响而广泛应用于模拟活塞在上止点附近时燃烧室的燃烧情况。定容弹的密封性是开展内燃机燃烧基础研究的前提，特别是研究用高速数据采集系统和高速摄影仪拍照定容弹内混合气燃烧的相关数据和图像和不同背景因素下对气体燃料预混定容燃烧的影响分析时，需要保证定容弹具有足够的密封性能，防止可燃气体介质泄漏，从而提高实验的精度和实验人员的安全性。现有国内的定容弹光学玻璃窗口的结构设计主要存在以下问题：(1)光学玻璃窗口的密封一般只有一道，只是依靠光学玻璃的一端压紧密封垫片来达到密封效果，这种密封方式容易出现气体泄漏，密封效果还须取决于垫片的种类和对密封垫片压紧力的大小；(2)光学玻璃窗口的安装，几乎都直接利用螺栓强制地把端盖压在光学玻璃的边缘上。这种方式使得光学玻璃缺乏保护，而且螺栓预紧时出现压紧力不均可能造成光学玻璃局部受力过大而压碎光学玻璃。(3)实验过程一般需要频繁拆卸端盖来清洁光学玻璃，以提高实验效率和保证摄影图像的清晰度，但是频繁拆卸和安装所用的时间较长和容易导致密封垫片失效而经常更换。

发明内容

本发明目的在于克服现有定容弹光学玻璃窗口设计中存在的密封不可靠，密封效果欠佳，且光学玻璃安装易损坏，安装费时和频繁拆卸与安装密封垫片导致密封垫片失效而需要经常更换的缺陷等情况，提出一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口。

本发明的光学玻璃窗口包括端盖、套筒、光学玻璃、螺栓、密封垫。

所述的端盖包括观察孔、三级台阶状端面以及外沿，所述的三级台阶状端面分别是圆柱环凸出端面、螺纹孔端面、光学玻璃沉孔座端面。观察孔为位于端盖中心的圆孔，向外依次为光学玻璃沉孔座端面、螺纹孔端面、圆柱环凸出端面，圆柱环凸出端面的外围为端盖外沿。所述圆柱环凸出端面是端盖与定容弹本体间最主要的一道密封，密封面采用榫面和槽面相配合的密封形式，其凸出的圆柱环加上垫片后的高度比定容弹本体的槽面稍高，圆柱环凸出端面上设置有两道截面为正方形的密封环槽，以提高密封性能；螺纹孔端面的高度低于圆柱环凸出端面，其上均匀设置多个螺纹孔(个数最好为4的倍数)，供螺栓封装光学玻璃使用；光学玻璃沉孔座端面是光学玻璃窗口产生自紧式密封最主要的设计之一，其高度低于螺纹孔端面，上表面设有一道截面为正方形的密封环槽，增强密封效果；光学玻璃沉孔座端面的深度大于放置于其上的第一密封垫厚度，防止密封垫在压紧时被挤出。所述端盖外沿为圆环形，其上设有多个通孔(个数最好为4的倍数)，供与定容弹本体固定时使用；要求外沿通孔与螺纹孔端面的螺纹孔互相错开相同的角度分布。端盖的三级台阶状端面与观察孔中心线的垂直度在0.06mm内，圆柱环凸出端面和光学玻璃沉孔座端面加工时表面粗糙度应保证在6.4μm内。

所述的密封垫包括两个大小一样的圆环形密封垫，分别为第一密封垫和第二密封垫；其外径与光学玻璃沉孔座端面直径相同，并与观察孔中心线同轴以便于安装，内径稍大于或等于端盖观察孔内径。优选为带内环的石墨金属缠绕垫，回弹性良好，使用寿命长，并与光学玻璃沉孔座端面间形成凹凸形式的密封面，使石墨金属缠绕垫压紧时不易被挤出。

所述的套筒为中空的圆柱形，其一端有一圆环状外沿，另一端有一圆环状内沿；圆柱形的内径与光学玻璃沉孔座端面直径相同，圆环状内沿的内径与端盖观察孔的内径一样，由此形成观察光学玻璃的通孔；圆环状内沿的内侧用于放置第二密封垫；圆环状外沿上均匀布置多个套筒通孔，其数量与螺纹孔数量一致，用于安装套筒到端盖上。套筒的高度和光学玻璃沉孔座端面的总体高度比光学玻璃和两个密封垫的总体高度小，螺栓安装时的预紧力使密封垫压紧，实现初始密封条件。当光学玻璃安装于套筒圆柱内时，与圆柱形的内壁之间留有不超过1mm的间隙。套筒内表面加工时表面粗糙度应保证在6.4μm内，圆环状内沿、外沿和端盖观察孔中心线的垂直度在0.06mm内。

所述光学玻璃的透过性、强度、温度的要求根据具体实验目的及环境确定。

所述的螺栓为多个高强度螺栓，强度在8.8级以上。

所述各组成部分的连接关系为：端盖的光学玻璃沉孔座端面上依次放置第一密封垫、光学玻璃、第二密封垫，四者的中心同轴；套筒置于第二密封垫的另一端，覆盖光学玻璃和第二密封垫，其通孔与端盖螺纹孔端面的螺纹孔对上，通过螺栓固定使光学玻璃压紧，形成初始的密封条件。

本发明的自紧密封式定容弹光学玻璃窗口的密封原理及过程为：将本发明的光学玻璃窗口安装于定容弹中，当定容弹内腔的气体介质燃烧或者充气压力大于环境压力，即定容弹本体内腔存在瞬态变化冲击压力或恒定压力时，第二密封垫的残余压紧力形成了第一道密封，显著减少气体介质的泄漏和压力。光学玻璃、第一密封垫及光学玻璃沉孔座端面共同组合成自紧式密封形式，依靠定容弹本体内气体介质的压力来增强密封效果，使密封面获得较大的压紧力，从而在密封口产生较大的密封比压，达到密封目的。气体介质作用力越高，光学玻璃沉孔座端面受到光学玻璃的压紧力越高，密封的效果越好。因此，本发明的结构方式只要把光学玻璃一次性封装到端盖上即可不受到端盖的拆卸和安装的影响，减少拆卸、安装的复杂性和时间，也避免了多次拆卸、安装时压碎光学玻璃的风险。

有益效果

本发明减少了光学玻璃安装的时间，解决了损坏光学玻璃和经常更换密封垫片的问题，同时定容弹的密封性能也得到极大的提升。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、光学玻璃窗口采用了自紧式密封形式，压力越高的环境下密封效果越好；

2、光学玻璃和端盖均采用两道密封，采用的密封形式使得安装螺栓的直径较小，显著提高了定容弹密封的可靠性以及实验的准确度；

3、光学玻璃直接封装到端盖后，拆卸和安装端盖时不再需要操作光学玻璃，减少了经常拆卸、安装的时间，提高了实验效率，并起到保护光学玻璃的作用。

附图说明

图1为本发明的光学玻璃窗口结构截面装配图；

图2为具体实施方式中端盖俯视图；

图3为具体实施方式中端盖A-A截面视图；

图4为具体实施方式中套筒俯视图；

图5为具体实施方式中套筒B-B截面图；

图6为具体实施方式中定容弹实验装置的装配剖面图。

标号说明：

1-螺栓，2-第二密封垫，3-光学玻璃，4-套筒，5-观察孔，6-第一密封垫，7-端盖，8-光学玻璃沉孔座端面密封环槽，9-螺纹孔，10-第一圆柱环凸出端面密封环槽，11-第二圆柱环凸出端面密封环槽，12-外沿通孔，13-端盖外沿，14-圆柱环凸出端面，15-螺纹孔端面，16-光学玻璃沉孔座端面，17-套筒通孔，18-套筒内沿，19-套筒外沿，20-电热棒安装孔，21-定容弹本体，22-定容弹内腔，23-基本型石墨金属缠绕垫，24-M12螺栓，25-温度传感器测量孔，26-火花塞安装孔，27-第一进气孔，28-稳态压力表测量孔，29-第二进气孔。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

本发明的自紧密封式定容弹光学玻璃窗口包括端盖7、套筒4、光学玻璃3、螺栓1、第二密封垫2和第一密封垫6，如图1所示。

端盖包括观察孔5、三级台阶状端面(圆柱环凸出端面14、螺纹孔端面15、光学玻璃沉孔座端面16)以及外沿13，如图2和图3所示。观察孔5的内径为100mm，圆柱环凸出端面14上有两道边长0.5mm的正方形截面密封环槽，为第一圆柱环凸出端面密封环槽10和第二圆柱环凸出端面密封环槽11；螺纹孔端面15均匀设有12个螺纹孔9；光学玻璃沉孔座端面16上有一道边长0.5mm正方形截面的密封环槽8，圆柱环凸出端面14和光学玻璃沉孔座端面16加工的表面粗糙度为6μm。外沿13上设有12个外沿通孔12。

套筒为中空的圆柱形，其一端有一圆环状外沿19，另一端有一圆环状内沿18，套筒外沿19上设有12个套筒通孔17，如图4和图5所示。

第二密封垫2和第一密封垫6均采用带内环的石墨金属缠绕垫。

本实施例的端盖7、套筒4采用45号钢；套筒4圆柱内径为132mm，壁厚为3mm；光学玻璃3采用石英玻璃JGS1，直径为130mm，厚度为50mm，其强度满足20MPa的冲击压力和15MPa的静压力和1000℃的环境要求；螺栓1采用M8螺栓，和M12螺栓24的强度均采用8.8级。

本实施例的定容弹实验装置的装配剖面如图6所示。

套筒4和端盖7通过12个M8螺栓1把光学玻璃3封装在其间，M8螺栓上紧时产生的预紧力使光学玻璃窗口实现初始的密封。定容弹本体21的槽面放置一个基本型石墨金属缠绕垫23，用M12螺栓24把端盖7压紧在定容弹本体21的凹槽，使基本型石墨金属缠绕垫23的两个端面分别与端盖7的圆柱环凸出端面14和定容弹本体21的凹槽面密封起来。安装后，套筒4的圆柱外表面与定容弹本体21的间隙为0.5mm，光学玻璃3与套筒4圆柱内表面的间隙为1mm。

对于套筒4的内表面，图6箭头画出了气体介质从光学玻璃3泄漏的方向。光学玻璃窗口有两道密封形式：当定容弹内腔22的气体介质燃烧或者充气压力大于环境压力，即定容弹本体21存在瞬态变化冲击压力或者恒定压力P时，第二密封垫2的残余压紧力形成了第一道密封，可以显著减少气体介质的泄漏和压力；光学玻璃沉孔座端面16和第一密封垫6采用凹凸形式的密封面，在光学玻璃沉孔座端面16上划有一道光学玻璃沉孔座密封环槽8，以增强密封效果。光学玻璃3、第一密封垫6及光学玻璃沉孔座端面16共同组合成自紧式密封形式。这种密封方式依靠定容弹本体21内气体介质的压力来增强密封效果，使密封面获得较大的压紧力，从而在密封口产生较大的密封比压，达到密封目的。气体介质作用力越高，光学玻璃沉孔座端面16受到光学玻璃3的压紧力越高，密封的效果越好，这样实现了光学玻璃窗口的完全密封。因此，这种结构方式只要把光学玻璃3一次性封装到端盖7上就可以实现不受到端盖7的拆卸和安装的影响，降低或减少拆卸、安装的复杂性和时间，也避免了多次拆卸、安装时压碎光学玻璃3的风险。

对于套筒4外表面，图6箭头画出了气体介质从端盖7泄漏的方向。由于套筒4的形状，气体泄漏运动的沿程较长，第一道密封可以采用简单的迷宫式密封的方式，设计使套筒4与定容弹本体21间的配合间隙不超过0.5mm，形成像迷宫一样的“曲路”。一方面使泄漏的气体介质在间隙里运动时产生了沿程摩擦和局部磨阻构成了磨阻效应；另一方面，套筒4与定容弹本体21配合间隙很少，而受到M8螺栓帽的限制影响，留有空间却相对较大，这样可以有效地缓冲突变压力，减少对下一道密封的冲击。这种密封方式虽然存在一定的漏气量，但是已经形成阻力较大的一段行程，因而经过节流而产生比较大的能量损失，气体压力大为下降，为端盖7与定容弹本体21实现有效的密封提供更为可靠的保障。圆柱环凸出端面14与定容弹凹槽构成榫槽式密封面，基本型石墨金属缠绕垫23受力均匀，基本型石墨金属缠绕垫片23不会被挤动，使得基本型石墨金属缠绕垫片23可以较窄，相应的压紧垫片所需的螺栓力也较小，可以获得良好的密封效果。同样，圆柱环凸出端面14上划有两道圆柱环凸出端面密封环槽，增加密封面的密封效果。

下面以实验验证本实施例制作的光学玻璃窗口的密封性能，具体过程如下：

试验一：把定容弹的各个测量孔堵上，只留有精度为0.4级真空表的测量孔和真空泵抽真空的孔，真空泵打开并对定容弹抽真空，5分钟后，真空表读数为-0.098Mpa。

试验二：把定容弹的各个测量孔堵上，只留有精度为0.4级压力表的测量孔和空压机充气的孔，空压机打开对定容弹充入空气至0.8Mpa，静置3小时后，压力表读数为0.8Mpa。

试验三：定容弹实验装置用于多个工况下的氢气-空气混合气点火试验，燃空当量比从0.2-1.0，初始压力0.04Mpa-1.1Mpa，初始温度25℃-200℃，至今累计点火试验超过300次，端盖拆卸和安装累计次数超过80次，但是在配气过程中，压力表和真空表的读数均没有出现异常变化，保证了实验数据的准确度。清洁完石英玻璃安装端盖时，只需要把端盖对接上后直接安装螺栓即可。

根据以上的测试结果，可得出以下结论：本发明的定容弹光学玻璃窗口的密封性能良好；定容弹拆卸和端盖安装简单，所需的时间少，石墨金属缠绕垫使用寿命长。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：包括端盖、套筒、光学玻璃、螺栓、密封垫；

所述的端盖包括观察孔、三级台阶状端面以及外沿，所述的三级台阶状端面分别是圆柱环凸出端面、螺纹孔端面、光学玻璃沉孔座端面；观察孔为位于端盖中心的圆孔，向外依次为光学玻璃沉孔座端面、螺纹孔端面、圆柱环凸出端面，圆柱环凸出端面的外围为端盖外沿；所述圆柱环凸出端面采用榫面和槽面相配合的密封形式，其凸出的圆柱环加上垫片后的高度比定容弹本体的槽面稍高；螺纹孔端面的高度低于圆柱环凸出端面，其上均匀设置多个螺纹孔；光学玻璃沉孔座端面的高度低于螺纹孔端面，其深度大于放置于其上的第一密封垫厚度；所述端盖外沿为圆环形，其上设有多个通孔；

所述的密封垫包括两个大小一样的圆环形密封垫，分别为第一密封垫和第二密封垫；其外径与光学玻璃沉孔座端面直径相同，并与观察孔中心线同轴，内径稍大于或等于端盖观察孔内径；

所述的套筒为中空的圆柱形，其一端有一圆环状外沿，另一端有一圆环状内沿；圆柱形的内径与光学玻璃沉孔座端面直径相同，圆环状内沿的内径与端盖观察孔的内径一样，形成观察光学玻璃的通孔；圆环状内沿的内侧放置第二密封垫；圆环状外沿上均匀布置多个套筒通孔；

上述各组成部分的连接关系为：端盖的光学玻璃沉孔座端面上依次放置第一密封垫、光学玻璃、第二密封垫，四者的中心同轴；套筒置于第二密封垫的另一端，覆盖光学玻璃和第二密封垫，其通孔与端盖螺纹孔端面的螺纹孔对上，通过螺栓固定使光学玻璃压紧，形成初始的密封条件。

2.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述螺纹孔端面上的螺纹孔和端盖外沿通孔互相错开相同的角度分布，且个数分别为4的倍数。

3.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述圆柱环凸出端面上设有两道截面为正方形的密封环槽，光学玻璃沉孔座端面上表面设有一道截面为正方形的密封环槽。

4.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述的端盖三级台阶状端面与观察孔中心线的垂直度，以及圆环状内沿、外沿和端盖观察孔中心线的垂直度均在0.06mm内；圆柱环凸出端面、光学玻璃沉孔座端面和套筒内表面加工时表面粗糙度在6.4μm内。

5.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述的第一密封垫和第二密封垫为带内环的石墨金属缠绕垫，与光学玻璃沉孔座端面间形成凹凸形式的密封面。

6.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述套筒圆环状外沿上的通孔数量与螺纹孔数量一致，套筒的高度和光学玻璃沉孔座端面的总体高度比光学玻璃和第一密封垫、第二密封垫的总体高度小；当光学玻璃安装于套筒圆柱内时，与圆柱形内壁之间的间隙不超过1mm。

7.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述光学玻璃的透过性、强度、温度的要求根据具体实验目的及环境确定。

8.根据权利要求1所述的一种自紧密封式定容弹光学玻璃窗口，其特征在于：所述的螺栓为多个高强度螺栓，强度在8.8级以上。