CN104482218A - 基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，至少包括内层传统橡胶、添加了径向磁场的第一外层磁致变形橡胶、添加了轴向磁场的第二外层磁致变形橡胶和嵌装于两磁致变形橡胶内部并用于保持密封装置整体形态的环形骨架，内层传统橡胶、第一外层磁致变形橡胶和第二外层磁致变形橡胶均为圆环形且同轴径向紧贴设置，内层传统橡胶和导磁体运动轴之间形成的密封腔内填充润滑脂；该装置可用于高速运动、压差较大的高速轨道列车或重型机车的悬挂减振器等类似往复机构，以及直升机旋翼、旋转机械、风力发电装备中等类似旋转机构中，不仅能够实现长期的动密封或静密封，具有良好的自愈合功能，而且具有相对简单的结构，从而提高密封装置的稳定性和耐久性。

Description

基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置

技术领域

本发明涉及一种机械工程、车辆工程或航空航天等需要使用密封装置的领域，特别涉及一种可用于高速运动、压差较大的高速轨道列车或重型机车的悬挂减振器等类似往复机构，以及直升机旋翼、旋转机械、风力发电装备中等类似旋转机构的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置。

背景技术

时下，活塞杆等轴状物件和壳体之间的环形间隙的密封主要采用橡胶密封或磁性液体密封。此外，也有人提出并开始采用磁流变橡胶与磁流变脂的密封装置，起到了一定的效果。

根据被密封的两结合面之间是否有相对运动，密封可分为静密封和动密封两大类。对于静密封，由于其相对壳体没有明显的运动，结合橡胶具有较宽的温度范围，弹性好，且其由于是高分子材料，能通过生化反应，形成更好性质的橡胶，因此，橡胶密封件通常是将橡胶热粘在金属环上，具有较为可靠的稳定性，在静密封装置中较为常用。对于动密封，非接触式动密封，可以用在转速比较高的场合，但是密封的可靠程度有限；接触式动密封密封可靠，但由于有摩擦磨损的存在，不宜用在旋转速度较高的场合。尤其是运动轴(旋转轴或往复轴)和壳体之间具有较为频繁的相对运动。而在这样的往复运动或旋转运动时，由于摩擦等各种外界因素影响而存在的高温高压容易导致橡胶件材料的性能发生较大的变化，而且磨损使得密封间隙变大，从而容易诱发密封泄露失效。对于有一定压力差和较高转速的轴密封现在较多选用机械密封等。

由于基于传统橡胶的密封装置在动密封方面存在的问题，磁性液体密封被发明和研究。在压差不大于0.3MP的低压差和低转速密封问题中，磁性液体的密封装置的研究已经取得了一定的技术进步。如中国专利：一种磁性液体密封装置(申请号200610052794.1，申请日2006.8.1)，该申请通过将若干个极靴环与相邻和相近极性相反的永磁环相间排列组成磁极圈，然后将磁性液体填充于密封间隙内，从而形成磁性液体的密封装置。该申请使得密封间隙路径上有效的磁通增加，密封间隙内强弱相间分布的磁场梯度和变化幅度有一定的提高。但通过磁极圈设计可以看出，该申请的装置具有较为复杂的结构，部件数量较多。另外，由于此类密封装置主要用于往复轴或旋转轴方面，因此，运动轴表面的微观波纹会携带一些磁性液体，长期工作后会使磁性液体的容量减少导致密封失效。此外，由于磁性液体一方面具有液体的基本性质，在高速旋转时，会受到离心力作用；另一方面，磁性液体较低的剪切强度，两方面作用，使得密封装置在高压差或高转速情况下的动密封效果大打折扣。

随着很多高速运动的活塞中的高速运动轴对于密封的要求越来越高，而相关的研究也取得了一定的进展。如中国专利：基于磁流变橡胶与磁流变脂的自愈合密封装置及往复机构(申请号201010531005.9，申请日2010.11.04)，为了使结构较传统的更加简洁，能在大压差和高转速环境下的动密封效果更好，该申请设计上下骨架磁极以及磁流变橡胶和永磁体组成的多级橡胶密封和多级磁密封，利用磁流变橡胶在磁场作用下对运动轴的长期吸附效应，结合两端设置的两道磁流变脂密封，实现大压差、高速环境下的密封，也在一定程度上实现了密封口始终紧贴运动轴的自愈合密封。此外，其将运动表面进行微裂纹镀铬处理，严格控制了运动轴表面的形态。上述在一定程度上解决了高速密封问题，但是由于其依靠永磁体产生磁场，磁场的强度由永磁体本身性质决定，对于不同形式的密封装置的生产加工受到一定的限制。此外，其结构也相对复杂，尤其是永磁铁在磁流变橡胶中放置的位置，这对于密封装置的加工存在一定的问题。此外，这类密封装置在解决耐久性和异响方面的问题上，也需要完善。而这些问题最终容易导致密封失效。

发明内容

有鉴于上述橡胶密封、磁性液体密封、磁流变橡胶与磁流变脂的密封装置在实际应用中存在泄露、异响、耐久性的问题，尤其是在高压差、高运行速度、结构复杂度方面的不完善，本发明提供一种基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，不仅能够在高压差、高运行速度的环境下实现长期的动密封或静密封，而且具有相对简单的结构，从而提高密封装置的稳定性和耐久性。

本发明的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，至少包括内层传统橡胶、添加了径向磁场的第一外层磁致变形橡胶、添加了轴向磁场的第二外层磁致变形橡胶和嵌装于两磁致变形橡胶内部并用于保持密封装置整体形态的环形骨架，内层传统橡胶、第一外层磁致变形橡胶和所述第二外层磁致变形橡胶均为圆环形且同轴径向紧贴设置，内层传统橡胶内缘与运动轴相接，内层传统橡胶和运动轴之间形成密封腔，密封腔内填充润滑脂，运动轴和环形骨架均为导磁体。

进一步，自愈合密封装置还包括沿圆周外包于最外层磁致变形橡胶形成径向向内包裹的外部包裹层。

进一步，环形骨架包括沿轴向并列设置的两环形固定片，外部包裹层和两磁致变形橡胶填充两环形固定片之间的缝隙，两环形固定片的内端径向抵紧于内层传统橡胶的外侧设置。

进一步，两环形固定片均由金属导磁材料制成。

进一步，内层传统橡胶包括带一道唇口的内层橡胶体Ⅰ和带两道唇口的内层橡胶体Ⅱ，唇口均由内层橡胶体的内缘向所述运动轴方向延伸。

进一步，内层橡胶体Ⅰ和内层橡胶体Ⅱ的内缘上设置有向运动方向延伸的橡胶凸尖。

进一步，第一外层磁致变形橡胶的下端外缘上设置有一径向压紧弹簧。

进一步，外部包裹层为传统橡胶材料制成；四层橡胶径向由外至内依次进行过盈装配。

进一步，两磁致变形橡胶均由硅橡胶与硬磁材料按比例配比制成，其中硬磁颗粒材料所占质量分数范围为10％-90％。

本发明的有益效果：本发明的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，由于采用径向充磁和轴向充磁后的第一外层磁致变形橡胶和第二外层磁致变形橡胶，充磁完成后，两层磁致变形橡胶中的硬磁颗粒变成永磁体，而运动轴是由导磁材料制成，因此第一外层磁致变形橡胶中的永磁颗粒对导磁体有一个吸附作用，从而使其具有一个围绕运动轴的径向压力，使其能够有效的对内层传统橡胶密封件的磨损和老化进行补偿，从而实现自愈合的密封性能，具体而言，当内层传统橡胶由于长期与运动轴的摩擦而损耗，与运动轴的间隙逐渐增大时，由于第二层的磁致变形橡胶(即第一外层磁致变形橡胶)与导磁的运动轴之间产生径向磁力，所以在运动过程中，第一外层磁致变形橡胶始终具有指向运动轴的压力，从而紧紧压着内层传统橡胶，使得整个密封装置能长期与运动轴紧紧贴合，从而实现其代替磁流变橡胶、磁流变脂、传统橡胶，实现补偿橡胶与运动轴之间长期反复摩擦造成的橡胶弹性劣化失效，实现了自愈合密封的功能；

另一方面，在接近运动轴的周围，内层传统橡胶与运动轴形成密封腔，并在其中添加锂基润滑脂或钙基润滑脂，对密封装置在往复或旋转运动轴起到润滑作用，此外也能防止被密封装置中的物质通过或泄露而导致密封失效；

在上述结构上，采用添加轴向磁场的磁致变形橡胶和环形骨架(导磁体)，使得整体密封结构具有良好的形体不变性且结构简单稳定，具体而言，由于内层传统橡胶的磨损，第一外层磁致变形橡胶会向径向方向压缩，此时会使密封装置整体变形，而加上环形骨架后，由于其支撑作用，即使第一外层磁致变形橡胶会径向压缩，但是第二外层磁致变形橡胶不会因此进行收缩进而导致整体形状的改变，也就是说，添加轴向磁场的磁致变形橡胶对轴向的导磁材料(即环形骨架)会有一个吸附力，从而产生较大的摩擦阻力，使得第一外层磁致变形橡胶沿径向受力收缩时，其不容易沿径向变形收缩，而是保持原来的形状，从而使得密封装置的整体形状保持完整。

总之，本发明应用在高压差、高速旋转等环境时，具有良好的自愈合功能，又因为其结构简单，能在一定程度上解决现有密封装置异响和耐久性的问题，因此整体而言其稳定性较高，能实现长期的自愈合密封。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明中当运动轴相对于壳体做往复运动时自愈合装置的剖视示意图；

图2为本发明中当运动轴相对于壳体做旋转运动时自愈合装置的剖视示意图。

具体实施方式

如图所示：本实施例的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，至少包括内层传统橡胶1、添加了径向磁场的第一外层磁致变形橡胶2、添加了轴向磁场的第二外层磁致变形橡胶3和嵌装于两磁致变形橡胶内部并用于保持密封装置整体形态的环形骨架4，内层传统橡胶1、第一外层磁致变形橡胶2和第二外层磁致变形橡胶3均为圆环形且同轴径向紧贴设置，内层传统橡胶1内缘与运动轴5相接，内层传统橡胶1和运动轴5之间形成密封腔6，密封腔6内填充润滑脂，运动轴5和环形骨架4均为导磁体；其中传统橡胶是指相较于外层磁致变形橡胶来讲，未添加任何磁性材料，可理解为无磁橡胶(或非磁橡胶)，即非磁致变形橡胶，其为硅橡胶等传统意义上的橡胶，另外，为保证被密封装置中的材料不流入该密封装置，也更好使得密封装置在往复运动或旋转运动中更顺滑，起润滑作用，在密封腔6室中填充锂基润滑脂或钙基润滑脂。

本实施例中，自愈合密封装置还包括沿圆周外包于最外层磁致变形橡胶形成径向向内包裹的外部包裹层7。

其中，两磁致变形橡胶均由硅橡胶与硬磁材料按比例配比制成，其中硬磁颗粒材料所占质量分数范围为10％-90％；为实现密封装置的自愈合，需要有持续不断的径向力压内层传统橡胶1，从而使其能始终紧贴运动轴5，为此，采用磁致变形橡胶提供这样一个力，磁致变形橡胶是由硅橡胶与硬磁颗粒按一定的比例配比而成，其中硅橡胶可选用双组份室温硫化硅橡胶等类型的橡胶，而硬磁颗粒可根据实际情况，选择钕铁硼等稀土永磁材料，铝镍钴系等金属永磁材料，钡铁氧体等铁氧体永磁材料，微粉永磁材料、纳米永磁材料等，且硬磁材料在其中的质量分数根据不同密封装置的实际情况，从10％-90％不等；当按一定比例配比而成后，通过相应的充磁机对橡胶进行饱和充磁，充磁完毕后，由于硬磁颗粒为硬磁材料，饱和充磁后，具有较大的剩磁等，因此内部每一个硬磁颗粒都可视为一个永磁体；而由于本发明无论是金属固定片还是运动轴5，都采用导磁性金属材料。因此，永磁体对其具有吸附作用，相当于形成一个对应的力。通过径向充磁，单个硬磁颗粒形成的受力方向皆为径向，从而所有硬磁颗粒形成较大的指向径向的力，请参考图1或图2中受力F。同理，如果添加轴向磁场，就能对磁致变形橡胶轴向方向的导磁性材料产生力的作用。

本实施例中，环形骨架4包括沿轴向并列设置的两环形固定片，外部包裹层7和两磁致变形橡胶填充两环形固定片之间的缝隙，两环形固定片的内端径向抵紧于内层传统橡胶1的外侧设置；由于内层传统橡胶1的磨损，第一外层磁致变形橡胶2会向径向方向压缩，此时会使密封装置整体变形，而加上环形骨架4后，由于其支撑作用，即使第一外层磁致变形橡胶2会径向压缩，但是外包裹层橡胶和第二外层磁致变形橡胶3不会因此进行收缩进而导致整体形状的改变。

本实施例中，两环形固定片均由金属导磁材料制成；两环形固定片起到固定整体结构的作用，其固定作用通过与添加轴向磁场的第二外层磁致变形橡胶3相互配合起作用，金属固定片是与运动轴5同轴的圆筒形导磁性金属固定片，其位置固定于沿运动轴5径向方向从第一外层添加径向磁场的磁致变形橡胶的边缘横跨第二外层磁致变形橡胶3到达外部包裹层7橡胶的横向宽度的一半处。其中，在第一外层磁致变形橡胶2边缘处的金属片直接与内层传统橡胶1外缘接触。由于第二层为添加轴向磁场的磁致变形橡胶，结合上述对于磁致变形橡胶工作原理的描述，可知，由于上下两侧的金属固定片是导磁材料，因此当第一外层磁致变形橡胶2由于补偿内层传统橡胶1的磨损而产生径向收缩时，金属固定片由于受到第二外层磁致变形橡胶3对其产生的力，使得其运动的阻力大大增加，进而不容易运动，从而使得其始终保持相对位置不变，进而保证了整个密封装置的结构完整性和稳定性。

本实施例中，内层传统橡胶1包括带一道唇口的内层橡胶体Ⅰ8和带两道唇口的内层橡胶体Ⅱ9，唇口均由内层橡胶体的内缘向所述运动轴5方向延伸；带一道唇口内层橡胶体Ⅰ8设置在内层传统橡胶1的上端，在添加径向磁场的磁致变形橡胶产生的径向力作用下，吸附在靠近运动轴5的外壁上；带一道唇口的内层橡胶体Ⅰ8的内缘上设置一个与运动轴5相接处的传统橡胶上唇口10；带两道唇口的内层橡胶体Ⅱ9设置在内层传统橡胶1的下端，在添加径向磁场的磁致变形橡胶产生的径向力作用下，吸附在靠近运动轴5的外壁上；带两道唇口内层橡胶体Ⅱ9的内缘上设置与运动轴5相接触的橡胶第一道下唇口11和第二道下唇口12；对于带一道唇口的上唇口10以及带两道唇口的第一道下唇口11和第二道下唇口12与运动轴5接触面采用一定宽度的接触面，使得其与运动轴5能更好地贴合。

本实施例中，内层橡胶体Ⅰ8和内层橡胶体Ⅱ9的内缘上设置有向运动方向延伸的橡胶凸尖13；带一道唇口的内层橡胶体Ⅰ8和带两道唇口的内层橡胶体Ⅱ9之间形成环形框架，从而配合唇口的设计形成密封腔6。

本实施例中，第一外层磁致变形橡胶的下端外缘上设置有一径向压紧弹簧14；使得带两道唇口的橡胶与运动轴5能更好地贴合。

本实施例中，外部包裹层7为传统橡胶材料制成；四层橡胶径向由外至内依次进行过盈装配；上述四层不同材料的同轴圆筒状橡胶采用橡胶间的过盈装配，分别在第二层(此处即指添加了径向磁场的第一外层磁致变形橡胶)到第四层(此处即指外部包裹层)橡胶上端开一定角度的倒角，然后先对第四层和第三层(此处即指添加了轴向磁场的第二外层磁致变形橡胶)进行过盈装配，再进行第二层与已经装配的三、四层的过盈装配，最后进行第一层(此处即指内层传统橡胶)与已经装配的二、三、四层的过盈装配。

如图1和图2所示，本发明整体的运行情况如下：无论在旋转还是往复运动中，本发明能实现整个密封装置始终有指向径向的力，从而使得当多次旋转或往复运动后，内层传统橡胶1磨损后，始终有一个围绕它指向轴心的压力，从而使得内层传统橡胶1能始终紧贴运动轴5，达到密封装置的自愈合。并且当第一外层磁致变形橡胶2为补偿内层传统橡胶1的磨损而受力径向收缩时，由于第二外层磁致变形橡胶3和金属固定片的联合作用，使得第二外层磁致变形橡胶3和第四层外部包裹层7传统橡胶不会随内层传统橡胶1和第一外层磁致变形橡胶2进行径向收缩，从而保持整体结构始终的完整性。

由于结构简单，其稳定性和耐久性提高，成本降低，此外，通过上面分析可知，其突破传统橡胶受温度、压力等影响而存在的局限性，突破磁性液体受高压差、高速旋转等影响而存在的局限性，因此能运用在高压差、高速旋转等环境，并且其在一定程度上能解决异响等问题。

以上对本发明的磁致变形橡胶的自愈合密封装置的各种实施例进行了说明，可以理解的是，将上述实施例任意组合对本领域技术人员而言是显而易见的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：至少包括内层传统橡胶、添加了径向磁场的第一外层磁致变形橡胶、添加了轴向磁场的第二外层磁致变形橡胶和嵌装于两磁致变形橡胶内部并用于保持密封装置整体形态的环形骨架，所述内层传统橡胶、所述第一外层磁致变形橡胶和所述第二外层磁致变形橡胶均为圆环形且同轴径向紧贴设置，所述内层传统橡胶内缘与运动轴相接，所述内层传统橡胶和运动轴之间形成密封腔，所述密封腔内填充润滑脂，所述运动轴和所述环形骨架均为导磁体。

2.根据权利要求1所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：所述自愈合密封装置还包括沿圆周外包于最外层磁致变形橡胶形成径向向内包裹的外部包裹层。

3.根据权利要求1-2所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：所述环形骨架包括沿轴向并列设置的两环形固定片，外部包裹层和两磁致变形橡胶填充两环形固定片之间的缝隙，两环形固定片的内端径向抵紧于内层传统橡胶的外侧设置。

4.根据权利要求3所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：两所述环形固定片均由金属导磁材料制成。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：所述内层传统橡胶包括带一道唇口的内层橡胶体Ⅰ和带两道唇口的内层橡胶体Ⅱ，所述唇口均由内层橡胶体的内缘向所述运动轴方向延伸。

6.根据权利要求5所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：所述内层橡胶体Ⅰ和内层橡胶体Ⅱ的内缘上设置有向运动方向延伸的橡胶凸尖。

7.根据权利要求6所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：所述第一外层磁致变形橡胶的下端外缘上设置有一径向压紧弹簧。

8.根据权利要求7所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：所述外部包裹层为传统橡胶材料制成；所述四层橡胶径向由外至内依次进行过盈装配。

9.根据权利要求8所述的基于磁致变形橡胶的自愈合密封装置，其特征在于：两所述磁致变形橡胶均由硅橡胶与硬磁材料按比例配比制成，其中硬磁颗粒材料所占质量分数范围为10％-90％。