CN1040667A

CN1040667A - 密封环

Info

Publication number: CN1040667A
Application number: CN89104989A
Authority: CN
Inventors: 约翰·凯特尔; 亚历克斯·费尔普斯
Original assignee: Dowty Seals Ltd
Current assignee: Dowty Seals Ltd
Priority date: 1988-06-10
Filing date: 1989-06-10
Publication date: 1990-03-21
Also published as: PT90781A; JPH02504665A; EP0379536A1; ZA894312B; PL279852A1; GB2219636B; IL90455A0; ES2020811A6; GB2219636A; GR890100363A; GB8913255D0; GB8813784D0; AU3747389A; YU116489A; WO1989012191A1

Abstract

一种密封环4包括密封元件5，该元件具有接触表面17，还包括弹性增能元件6，用于径向压缩接触表面17，使之与被密封的表面相接合。密封元件5包括一种具有比增能元件6更良好耐磨性和更高弹性模量的聚合物材料；密封元件5在其整个接触区域7被粘接到增能元件6上；密封元件5和密封环4的断面形状最好是矩形的；另外，密封元件5的径向厚度为增能元件径向厚度的10％—70％之间。

Description

本发明涉及密封环，特别是一种适用于相互作往复运动的元件之间的密封环，该元件包括活塞和汽缸以及活塞杆、汽缸头等等。

有许多方面的问题与在相互作往复运动的元件之间，例如活塞和汽缸之间实现良好的密封有关;尤其是在一段较长时间内具有很好的耐磨性的密封就显得更为困难，特别是在干态情况下即在“无泄漏”情况下尤为如此。在许多高负荷的情况下，往往需要提供具有多个元件的复杂的密封。这种复杂密封装置的采用，就其性能和成本而言，即使对于单向密封来说也不是没有困难的，对于双向密封，这种困难就更为严重。

有一种已知的密封环是唇式密封，其中的密封元件具有一个轴向距离很小的接触面，它被径向地压缩，与被密封的运动表面相结合。这种类型密封的狭窄接触表面使之成为具有有效的高接触压力、低摩擦力的密封，但是这种密封对于混入的固体杂质来说是很容易被损坏的，这些杂质可以破坏密封唇并引起泄漏。

另一种已知的密封环是宽范围接触面型的，其断面形状可以是矩形的，具有一个较宽的环形表面，它被沿径向压缩、与被密封的运动表面相接合。由于其接触面较宽，这种类型的密封环不太容易被固体杂质破坏，但是其接触压力较低，由于接触表面和运动表面之间的流体作用会产生泄漏。

英国专利№.1438619号揭示了一种唇式密封，它包括一个聚四氟乙烯（PTFE）的密封元件，其中有一个密封唇，还有一个弹性增能元件，它被沿径向压在密封元件上，促使密封唇与被密封的运动表面相接触。

在密封的轴向面的高压端部有一个凹槽，并且在密封唇和密封的低压端部之间有一个楔形的间隙，以便改善密封性能并减少泄漏。密封元件和增能元件通过分离元件的形式表示出来，或者在一种情形下通过整体结构的形式表示出来。

本发明的目的是提供一种改进了的宽范围接触面型的密封环。

根据本发明，提供一种密封环，它包括一个密封元件，该密封元件具有一个与被密封的表面相接合的接触表面，并且至少占据了密封环轴向区间的50%，还包括一个弹性增能元件，它径向挤压接触表面以便使之与被密封的表面相接合，其特征在于该密封元件包括一种高分子材料，该材料在密封环的操作温度下具有很好的耐磨性并具有比增能元件更高的弹性模量，而且该密封元件在整个接触区域内都被粘接在增能元件上。

密封元件和增能元件之间的粘接情况是最基本的，最好在元件之间的全部接触面都进行粘接。实行粘接可以改变密封环体内的应力分布，这样在密封环的低压端，在密封元件和被密封的表面之间就产生了一个峰值接触压力。

密封元件和增能元件之间的粘接方法根据各元件材料的不同而变化。可以设想，这种粘接可以通过现有技术中的物理和/或化学方法来实现。

密封环的横断面形状可以根据实际需要而不同。其最简单最常用的形式是整个断面的形状为矩形或正方形的，最好密封元件和增能元件也都是矩形或正方形的，这样就提供了一个平坦的密封表面，使之与被密封体相接触，借助于粘接，使密封体与密封表面相平行。明确地说，在内密封的情况下内直径上的密封元件，和在外密封的情况下外直径上的密封元件，一般是与增能元件同轴安置的。

在这些情况下，密封元件和增能元件各自的径向厚度可以根据各种参数而变化。然而，最好是密封元件的径向厚度至少为增能元件的10%，但又不大于增能元件的70%，最好的情形是该数值不超过50%，例如可为20～35%。

考虑到对于任何特殊密封中密封元件及增能元件所用的材料的选择，其基本要求是在操作温度下，前者应具有良好的耐磨性能及比后者具有更高的弹性模量，最好二者的模量之差是显著的。

具体来说，明确限定出密封元件和增能元件之间的弹性差别是十分有益的，这种性能差别是通过模量来表示的，即在用密封元件/增能元件材料制成的标准圆柱形试样的二端施加负荷时，依据试样高度的减少来表示，这一点将在此后作进一步叙述。

此外，如同前面所述，密封元件良好的耐磨性也是十分重要的。除了确定良好的弹性模量，还需根据一种标准试验和与上述弹性模量接验的负载相同的方式确定抗磨性良好的密封元件材料。

一般来说，增能元件的材料最好是天然或合成橡胶，腈橡胶例如丁腈橡胶是特别适用的。适用于作密封元件的材料包括聚氨酯。

本发明将通过实例并参照有关附图作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明的一个实施例所作的密封环的轴向断面示意图。

图2是根据本发明的第二个实施例所作的与图1所示密封环相似的断面图。

图3是根据本发明第3个实施例所作的与图1所示密封环相似的断面图。

图4是根据本发明对密封环所用材料进行选择时所作模量试验中得到的负荷（L）与形变关系的曲线图。

图5是横跨图1中的密封环轴向宽度的负荷分布曲线图。

参照图1，它表示本发明的一个内密封环，该环处于壳体2的环形槽1之中，并位于具有圆形断面的杆3的附近，杆3在壳体内作往复运动。

密封环4的横断面形状是矩形，它包括二部分，密封元件5和增能元件6，它们二者横断面也都是矩形的。密封元件是用聚醚尿烷制造的，增能元件是用丁腈橡胶制造的。密封元件和增能元件在其整个接触面7上都进行了良好的粘接，这种粘接是在制造过程中完成的。

凹槽横断面的尺寸应能使密封环的整体在径向全部落入凹槽中，而在纵轴方向上，在密封环的两侧各留有间隙8和9。至少在密封环的一侧所具有的这种间隙，对于保证密封操作能按其最佳方式进行，一般来说是完全必要的。在杆3插入之前，密封件的内表面稍稍高出凹槽，这样当杆插入时就可以产生变形并对密封环产生负荷，在插入之后，密封元件5的内接触面17在一定负荷下与杆3实现密封接合。

在选择密封元件5和增能元件6的材料时，已经发现限定出这些元件所采用材料的弹性差别是十分有益的，这种性能差别是通过模量来表示的，即在用密封元件/增能元件材料制成的标准圆柱形试样的两端施加负荷（L）时，依据试样的高度的减小程度来表示。

在确定这些模量的试验中，制取一个直径为16毫米（不允许有正偏差而允许0.2毫米的负偏差），高度为11毫米（±0.2毫米）的圆柱形的试样，在圆柱体的顶端增加负荷以产生每分钟1毫米的变形率。

上述实验的结果，尤其是所施加的负荷（L）相对于形变（百分变形率）（H）之间的曲线图已经表明，对于密封元件材料来说，在图4所示的曲线中，凡大概位于直线X-Y以上者，都是适宜的，这条直线画在25kg力（kgf）的负荷时产生5%变形的点和120公斤力的负荷时产生30%变形的点之间;而对于增能元件来说，应当大概低于这条直线。最好的情况是对于密封元件来说，数值应全部在直线之上，而对于增能元件来说，数值全部在直线之下，至少在密封环的操作温度范围内应该如此。

用作密封元件5的聚醚尿脘的典型模量实验结果如图4中的直线A所示，用作增能元件6的丁腈橡胶的典型模量实验结果如图4中的直线B所示，以上结果都是在室温下测得的。为了说明模量随温度的变化情况，聚醚尿脘的相同样品在50℃和100℃时测得的实验结果在图4中表示为直线A′和A″。由此也可以清楚看出，随着温度的升高，模量值接近标准线X-Y，但是它们依然在标准线之上。

弹性材料的另一个性质在本发明的范围内是重要的，即应力松弛或称作永久压缩变形。对于弹性密封来说这是一个众所周知的现象，它与超过自最初安装算起的一个时间周期后的密封接触压力损失相关。应力松弛取决于材料、形变、时间、温度以及流体的环境，对于密封元件材料的选择，必须确保其上述模量实验结果在负荷-变形直线X-Y之上。至于增能元件6，由于该元件的弹性模量比较低，应力松弛的问题比较小。

借助于实例，图4的模量试验中的聚醚尿脘的应力松弛如同图4所示的那样，可以测得它们在50℃和100℃时的10%及25%的形变情形。在每种条件下，样品的高度被压低10%或25%，并保持压缩状态三天，然后将压力去除，测量其高度。高度减少量占起始压缩高度的百分数表示为永久压缩变形，假设永久压缩变形与所承受的负荷成比例，它即被作为应力松弛的一种测量方法。在50℃时10%的形变产生的永久变形为37.9%，在图中示作负荷降低到C₁点，而形变量为25%时永久压缩变形为31.3%，示作负荷降低到C₂点。这二点仍然位于标准线X-Y之上，这就意味着作为试样的聚醚尿脘材料在操作温度为50℃时是适用的。

相同的聚醚尿脘材料在100℃时的永久压缩变形/应力松弛类似的试验结果在图4中也表示出来了。10%的变形产生的永久压缩变形为93.5%，如图所示负荷降至D₁点，25%的形变产生的永久压缩变形为90.7%，如图所示负荷降至D₂点。D₁和D₂两点皆低于标准线X-Y，这就说明这种特殊的聚醚尿烷材料在100℃以及100℃以上使用是不适宜的。当操作温度在50℃至100℃之间时，有可能是允许的，可以运用上述的试验材料进行简单的测定。

此外，密封元件5的良好耐磨性也是十分重要的。除了如上所述确定一个满意的弹性模量之外，还必须确定具有良好耐磨性的密封元件材料，这一点可以根据标准试验和与上述模量试验中的负荷（L）相等的负荷进行。

特殊的耐磨性试验是DIN标准53516，即当与一个予定的表面相接触进行运动时，确定试样的重量损失，该试样的体积损失百分数（Wf）就可以计算出来，从而得到负荷与磨损量之比（L/Wf）。

在最佳实施例中，密封元件的负荷与磨损量的比值（L/Wf）以及变形百分数将与下列等式中的一个或多个最好是全部都相对应：

15＜L/Wf＜30 5%变形

25＜L/Wf＜55 10%变形

40＜L/Wf＜80 20%变形

55＜L/Wf＜100 30%变形

在所述的实施例中密封元件5所用的聚醚尿脘材料，负荷与磨损量的比值（L/Wf）以及变形百分数表示如下：

21.3 5%变形

35.3 10%变形

47.3 20%变形

62.7 30%变形

如同图1所示的一种典型的密封环，其横断面尺寸为8.05毫米×8.10毫米，密封环5的径向厚度为增能元件6的34%，其中有一个内孔，以便安置直径为60毫米的杆3，密封元件5由聚醚尿脘构成，增能元件6由丁腈橡胶构成，其实验数据如上所述。该密封环作为压盖密封被装在用于矿物液压油DT26的液压活塞中，经过了耐久性试验，即在操作温度为59℃，压力为0到206巴时，活塞杆循环重复操作。经过289000个试验周期，相当于266公里，时间超过440个小时，未发生泄漏现象。

图1中密封环4的轴向宽度（W）的负荷分布情况如图5所示，它表明了在密封元件5和邻近密封环的低压端的活塞杆3之间是如何产生了一个峰值负荷（L）的。这一特性是根据本发明将密封元件和增能元件在它们的接触面7上进行粘接所特有的，它对改善密封性能有直接贡献。

图2表示本发明的一个外密封环，将它放置在活塞11的外表面的一个环形槽10中，并与汽缸12的内表面相接触。

密封元件13和增能元件14是用与图1所示的密封环相同的材料制成的，其工作原理也是大致相同的。

图3表示一种与图1相类似的密封环（用相同的参考数字表示相同的元件），只不过在低压端的密封环4的轴向端部表面上开有一个槽15，槽内装有抗挤压环16。

尽管图1、2和3所示的实施例都涉及一种与被密封的运动表面相接触的密封环，但是很容易理解，根据本发明所作的密封环同样可以用于二个相对固定元件之间的静密封。

很容易理解，根据本发明许多不同类型的聚氨酯都可以用于密封环的密封元件，包括借助于链增充剂使多元醇和异氰酸酯相互反应而制得的产物，也包括那些从予聚合物或通过“One Shot”方式制得的产物。典型的多元醇的例子是各种分子量的聚醚、聚酯、聚己酸内酯、聚丁二烯、以及聚碳酸酯。异氰酸酯的例子是现有技术中众所周知的，包括二异氰酸甲苯（TDI），二异氰酸二苯基甲烷（MDI），二异氰酸萘（NDI），二异氰酸苯撑二甲基（XDI），二异氰酸双环己基甲烷（HMDI），二异氰酸环乙烷（HDI），二异氰酸环己基（CHDI）、二异氰酸对位苯撑（PPDI）以及二异氰酸二甲基二苯基（TODI）。链增充剂的例子是1、4丁烷二醇和三甲基醇丙烷。当已知技术中的方法适合时，可以采用上述物质的任意混合物。此外，异氰酸酯多元醇以及链增充剂可以具有各种不同的官能度。

用于密封元件的替换组合物，特别是适用于高温操作的组合物是聚脲和增强聚丙烯单体的烃类弹性体。

Claims

1、一种密封环，它包括一个密封元件，该元件具有一个与密封面相接合的接触表面，并且其延伸范围至少超过密封环轴向范围的50%，还包括一个弹性的增能元件，以便径向压缩接触表面使之与被密封的表面相接合，其特征在于：密封元件(5)包括一种具有良好耐磨性和在密封环(4)的操作温度下，比增能元件(6)具有更高弹性模量的聚合物材料，密封元件(5)在其接触区域(7)被粘接到增能元件(6)上。

2、根据权利要求1所说的密封环，其中密封元件（5）在其全部接触区域（7）被粘接到增能元件（6）上。

3、根据权利要求1或2所说的密封环，其中密封元件（5）的横断面形状是矩形。

4、根据权利要求3所说的密封环，该密封环的横断面形状是矩形。

5、根据上述任何一个权利要求所说的密封环，其中有一个凹槽15位于密封环（4）的一个轴向端面，以便在邻近接触表面的一端放置一防挤压环（16）。

6、根据上述任何一个权利要求所说的密封环，其中密封元件（5）的径向厚度为增能元件（6）的径向厚度的10%到70%之间。

7、根据权利要求6所说的密封环，其中密封元件（5）的径向厚度为增能元件（6）的径向厚度的20%到35%之间。

8、根据上述任何一个权利要求所述的密封环，其中密封元件（5）的组成应能满足如下要求，当在操作温度下进行负荷（L）相对于形变（H）的试验时，此时取一个11毫米高，直径为16毫米的标准圆柱形试样，使之经受一个变形率为1mm/分的变形，依据其高度的减少进行评定，其结果应在直线（X-Y）之上，该直线在变形为5%、负载为25kgf的一点和变形为30%，负荷为120kgf的一点之间。

9、根据上述任何一个权利要求所述的密封环，其中增能元件（6）的组成应能满足如下要求，当在操作温度下进行负荷（L）相对于形变（H）的试验时，此时取一个11mm高，直径为16mm的标准圆柱形试样，使之经受一个变形率为1mm/分的变形，依据其高度的减少进行评定，其结果应低于直线（X-Y），该直线在变形为5%，负荷为25kgf的一点和变形为30%、负荷为120kgf的一点之间。

10、根据上述任何一个权利要求所说的密封环，其中密封元件的聚合物成份是聚胺脂。

11、根据上述任何一个权利要求所说的密封环，其中弹性增能元件是由腈橡胶组成的。

12、密封环实质上是如附图1、4和5，图2或图3所述的。