CN1084942A - 机械密封装置及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本机械密封装置及其生产方法，用于两相对滑动 部件间的密封。目前同类装置及其生产方法，如活塞 式内燃机及其生产方法等，其活塞环开口部位都不可 避免地留下漏泄通道，使密封性能欠佳。本发明通过 设计和制造复式搭口和加密封销结构，杜绝了开口处 有漏泄通道的问题，使密封件的寿命延长五倍以上， 内燃机油耗降低8％左右，整机综合性能显著提高， 并为制造单环活塞内燃机和压缩机创造了先决条件， 其交叉组合使用为超高压机械的密封提供了新的选 择。

Description

本发明属于机械密封技术领域，可广泛适用于机械工程中尤其是活塞式机械的密封系统。

机械工程现有的状况是，两相对滑动部件之间的密封，如机械工程中的活塞式内燃机，压缩机，泵等等的缸壁与活塞之间、轴与轴承之间，所用的密封件是活塞环、止漏环或密封条。以活塞环为例，要么只是一个简单的直角形开口，要么只是一个轴向的阶梯形搭口（又称阶梯口），其沿用的历史十分久远，至今未变（见西安交通大学机械系内燃机教研组编《内燃机设计》中国工业出版社1961年10月北京第一版第41页，吉林工业大学内燃教研组编《内燃机的理论与设计》下册，机械工业出版社1977年7月北京第一版第42页）。这些设计方案在开口部位都不可避免地留下漏泄通道，使密封性能欠佳。为弥补其不足，又不得不采用多环措施，使结构复杂化，摩擦损失增加，整机尺寸重量增大。特别是开口端隙在运行中因磨损逐渐加大，密封性能下降而必须更换，以致使活塞环成为内燃机上工作寿命最短的零件（见上述《内燃机的理论与设计》下册第62页），并成为决定整机、整车维修周期的重要因素。长久以来，科技界一直在研究“单环活塞内燃机”，但因活塞环漏泄通道的问题没有解决而未成功。

本发明旨在提出一种设计构思，从结构上根本改变密封件开口部位，同时提出相应的产品，使其避免出现漏泄通道并与磨损无关，从而提高密封的可靠性和寿命，提高工作效率。

为此，本发明提出了三种相关的设计方案。其一是复式搭口方案，多用于活塞环，止漏环等在槽内可旋转的场合;其二是加密封销方案，多用于活塞环、止漏环等定位或不定位工作的场合;其三是交叉组合方案，多用于高压力压缩机强化密封的场合。对于密封条而言，上述三种方案均可采用。

换言之，本发明的主要技术解决方案为：

一种机械密封装置，它包括采用密封件、相对滑动件和相对静止件，其特征在于：

a、上述密封件开口处分为多列阶梯形的复式搭口，或者，

b、上述密封件开口处呈密封销嵌入结构，

c、上述方案a和上述方案b的多道重复和交叉组合结构。

上述复式搭口是指这样一种搭口，其密封件搭口位于两主密封面间的端隙呈无漏泄通道的死角，其搭接面的型线在其搭接段的横切面内是一条由一个主密封面上一点到另一个主密封面上一点的连线，其被搭接段分隔成的相邻两部分端隙之间绐终保持着互不相连的距离。

上述多道重复交叉组合是指这样的一种组合，即把相同或不相同的复式搭口结构、加销结构的密封系统多道组合在一起以获得特高压力场合的强化密封。

上述密封销嵌入结构是指这样一种结构，即在上述密封件开口处嵌入一个动配合的密封销，使密封件开口两端与销之间构成复式搭口结构。

一种机械密封件制造方法，它包括采用密封件浇铸、精加工等工艺，其特征在于：

a、多个窄环组合为一套或一个密封件，即，先按搭接型线精密地加工制成有相应搭接面形状的窄环，然后酸洗电镀一层铜，再按整体设计的形状组合起来作为扩散焊接，最后对整环的外圆和径向平面精磨成密封件，或者，

b、整环切削加工成一个密封件，即，先用靠模对粗加工开了口的毛坯向两端分别加工出搭口处的搭接面，然后在圆模内紧合状态下加工环背，外圆精磨，热定形，或者，

c、分别加工柱形销槽口及隔板，即，先加工出未开槽的柱形销，然后在精密夹具上定位后加工出相通的槽，再于中线处切一个与隔界等宽的槽并于槽中嵌入一片静配合的隔板，最后精磨销头配合面即得到所需互不相通的对称槽口，或者，

d、柱形销两件组合法，即，先在一个柱形顶面上铣出与复式搭口密封件的端部形状相配合的榫口形状，再切下顶部一块柱片，又把该柱片反转焊接在销头上并精加工顶面，从而制成与复式搭口密封件精密配合的柱形销。

考虑到现有内燃机中活塞环开口部漏泄损失功率平均5%，活塞环对缸壁的摩擦损失7～12%，采用本发明的密封系统后可降低 油耗8%左右，环的寿命可提高五倍以上，即降低漏泄功率损失至1%左右，减少活塞环对缸壁的摩擦损失至4.5%以下。它为制造单环活塞发动机创造了先决条件。（这里的“单环”是指气环，即只要一道气环的内燃机。）因而，基本实现了本发明的发明目的。

附图说明：

图1为复式搭口结构示意图

图2为2.2/2复式搭口端隙结构示意图

图3为图2中过四部份端隙的剖示图

图4为2.2/2复式搭口环立体结构示意图

图5为2.2/1复式搭口环立体结构示意图

图6为2.2/1复式搭口的搭接面型线图

图7为2.2/1水平双扣榫形复式搭口的搭接面型线图

图8为2.2（斜）/1复式搭口的搭接面型线图

图9为2.2/1横向燕尾榫形复式搭口的搭接面型线图

图10为2.2/1四分之一园周弧形复式搭口的搭接面型线图

图11为2.2/1大于四分之一园周弧形复式搭口的搭接面型线图

图12为：2.2/1勾榫形复式搭口的搭接面型线图

图13为2.2/1斜燕尾榫形复式搭口的搭接面型线图

图14为2.2/1水平向园弧榫形复式搭口的搭接面型线图

图15为4.2/2/2/1竖向中凸榫形复式搭口的搭接面型线图

图16为4.2/2/2/1阶梯形复式搭口的搭接面型线图

图17为2.2/1梯形榫复式搭口的搭接面型线图

图18为2.2/1倒角复式搭口的搭接面型线图

图19为2.2/1直角斜榫形复式搭口的搭接面型线图

图20为4.2/2/2/1叉榫形复式搭口的搭接面型线图

图21为3.2/2/1横向中凸榫形复式搭口的搭接面型线图

图22为有弹簧加包容销活塞环密封系统图。其中：（8）-活塞、（9）-弹簧、（10）-密封销、（11）-活塞环。

图23为有弹簧加包容销活塞环密封系统的搭接面型线图

图24为无弹簧的加包容销密封销系统图

图25为无弹簧加互补销密封销系统图。其中：（13）-活塞环，（14）-销块。

图26为有弹簧加互补销密封销系统图。其中：（15）-活塞环、（16）-活塞、（17）-弹簧、（18）-销块。

图27为T形互补销密封系统图。其中：（19）-活塞、（20）-T形销块。

图28插板形互补销密封系统图。其中：（21）-活塞环、（22）-插板形销块。

实施例1、复式搭口设计

为了使密封件开口处既留有端隙又不留下漏泄通道，本发明把开口处加工成称之为复合式搭口的有多列多阶梯的搭口形状，它是把开口端隙分隔成至少两部份或者两部分以上相互错开一定距离排列的开口端隙，并使这个距离始终大于工作状态时的开口端隙，达到各部份端隙都被隔离为独立的死角从而不形成漏泄通道的目的。由于错开的距离较远，即便经长时间运转后间隙加大，各部份端隙仍不会串通。所以这种无漏泄通道的功能可看作与磨损无关。

实施例2、加密封销设计（参见图22至图28）

以内燃机为例，称为加密封销的活塞环，简称加销环。其结构是，在环的开口处嵌入一个相应形状的密封销，使环的开口两端与销之间构成复式搭口的关系，从而获得无漏泄通道的密封功能。销的形式很多，可分为包容销和互补两种类型。图22至图28是几种主要的加销实例。考虑到现有内燃机中活塞环开口处漏泄损失功率平均5%，活塞环对缸壁的摩擦损失7-12%，采用本发明的密封系统后可降低油耗8%左右，环的寿命提高五倍以上。即降低漏泄功率损失降至5%以下。它为制造单环活塞内燃机和压缩机创造了先决条件。

实施例3、复式搭口环实施例（参见图1至图21）

制造方法上可以整环加工，也可以由多个窄环组合而成（焊或不焊）。复式搭口处各部份的端面属非配合面，其形状可随工艺需要而变化，不影响密封性能。“复式搭口”是与现有搭口环 的“单列搭口”相区别而言的。前者在轴向和径向都有搭口，后者只有轴向搭口。

在本实施例中，复式搭口是指这样的搭口，其搭口位于两主密封面间的端隙是无漏泄通道的死角;搭接面的横切线即搭接面的型线，在其搭接段横切面内是一条起于一个主密封面上一点，止于另一主密封面上一点的连线。这条连线可以是任意的，也可以是特殊的。图1中的a为连接主密封面（1）上一点A和主密封面（2）上一点B的直线，b为连接AB两点的园弧，c为连接AB两点的折线。三条型线决定了三个复式搭口搭接面的形状。多列阶梯型复式搭口，是型线与主密封面垂直的折线。

复式搭口的形状很多，图6至图21是部份重要的复式搭口的搭接面型线图，一律以左、下侧面为主密封面。

本实施例尤其适用于内燃机。

实施例4、95系列柴油机2.2/2复式搭口环实施例（参见图2至图4以及图20至图26）

现有95系列柴油机的活塞环是直角开口的活塞环，由于不可避免地留有漏泄通道密封性能欠佳，一般都采用三道气环密封。由于本发明的主要特征在于其开口部位的搭口形状，所以除与之有关的参数和工艺外，其他方面均是现有技术。因此，本实施例只详述与复式搭口有关的技术细节。

a、搭口选型，符合上述复式搭口定义的构型很多，虽然都能对两个主密封面实现无漏泄通道的密封，但不同构型间各有特 点。考虑到95系列柴油机在民用上使用很广泛，特选取一种无正反之分的构型：二列双二阶复式搭口环（一般记为2.2/2，后同）。它的性能特点是，其搭口本身有对四个方向实现无漏泄密封的典型特征。采用这种构型，可使用者在装配时省去对正反面的考虑，有利于推广。

b、结构：2.2/2复式搭口是这样的一种复式搭口，把开口端隙正交分割成四部分，如图3中（23）所指，使它们分别错开一定距离排列如图2。从过四部分端隙的剖面A-A，B-B，C-C，D-D可以看到四条直角形的搭接面型线，四部分端隙分别被方向不同的四个搭接面隔离成死角而没有漏泄通道。其搭口处的立体形状如图2。图中所标（4）是第1列第1阶，（5）是第1列第2阶，（6）是第2列第1阶，（7）是第2列第2阶。即由外向内数为列，由上向下数为阶。

c、结构参数，95系列柴油机2.2/2复式搭口环的结构参数如下：

D-95 Cm-7.7 D/tq-27.2 bq-0.85 So/t-（3.4-4） Poq-（0.8-1.3）-△oq-0.09 H-6/2 R-45.75、α1-5° α2-15° △dq/0.09×10³-4.2

其中，H、α1、α2、R为这种环特有的参数，见图3。H系指第2级台阶的高，α1系指每个台阶所占角度;α2为搭口全长对应角;R系指两列阶梯列与列之间的中间型面园弧半径。

d、材料：合金铸铁，成分如下：

总C-（2.9-3.1）化合C-0.8  Si-（2.2-2.4）Mn-（2.2-2.4）Cr-（0.6-0.8）MO-（0.9-1）Cu-（0.5-0.7）P-（0.3-0.8）s-＜0.1

e、主要工艺：采用整环切削加工法。

实施例5、2.2/1复式搭口。

在复式搭口中，列和阶的概念有的典型，有的模糊。本例第1列第二阶的搭接面型线如图6。第2列只有一个阶，即环高b。图2及图5的共同点是，型线都是垂直于两主密封面折线，密封端隙呈矩形，它们算是列、阶概念典型的例子。对于那些形状变化了的阶，可根据其特点加以表示，如图8可称为2.2（斜）/1复式搭口。

2.2/1复式搭口的立体形状如图5。

实施例6、加包容销活塞环实施例（参见图22至图24）

所谓包容销是指这样的销，通过加一个把活塞环槽和环的开口端隙都包容在内的销而改变端隙部位的形状，使之形成复式搭口结构，达到无漏泄通道密封的目的。

在活塞环槽上钻一个孔，孔中先放入一个弹簧，再插入一个与之精密配合的圆柱形密封销，受孔底弹簧力作用销的外端紧贴缸壁。在销的外端开有两个左右对称又互不相通的槽，宽度与环槽相等并与环槽对接在相同平面上。活塞环两端分别嵌入左右销槽中与销槽之间形成复式搭口而没漏泄通道。其结构如图22，其中各标号分别表示：（8）-活塞、（9）-弹簧、（10）-密封销、（11）-活塞环。搭口部位横切面上的型线如图23。 它与前述阶梯形搭口不同的是，它相当于拐了弯，主密封面移动到孔壁面上的情况。

很明显，由于密封销的存在，改善了活塞环开口处的薄弱状态，具有特殊意义。

包容销可制成一与活塞环宽度相当而与端纵向阶梯相配合省去弹簧的情况，形如图24，销对缸壁的贴合力靠环端弹力提供，使结构简化。

包容销密封系统主要用于活塞环在环槽中不旋转的场合，如扫气式二行程内燃机。其使用材料可与环的材料相同，也可以不同。为了便于磨合使其对缸壁的磨损均一化，可切出上下台肩如图22中（12）所指。

实施例7、互补销实施例（参见图25至图28）

所谓互补销是指这样一种密封销，在复式搭口密封件（环）端隙处嵌入一个与搭口形状对应的销块，使其对密封件两端都形成复式搭口结构。最简单的一种如图25，图中各标号分别表示：（13）活塞环，（14）销块。销块在环端弹力作用下保持与缸壁贴合。销块的材料可选择较硬的材料，如用氮化硅制成，它硬而耐磨，有很强的环端保护作用，对保持整个圆周弹力的良好分布有重要的作用。互补销和环是可在槽中旋转的。

图25至图28是互补销的几种结构。其中图26是背面加弹簧的互补销。

实施例8、各种典型复式搭口的结构实例

（1）2.2/1水平双扣榫形复式搭口，它的搭接面型线如图（7），其特点是由水平线和三段垂直线交替连接而成，中间形成两个水平榫口，具有水平扣合的作用。

（2）2.2（斜）/1、复式搭口，其搭接面型线如图（8），也即图（1）中的型线a。特点是一条直线立体形状是一个钭面。加工比较简单。

（3）2.2/1横向燕尾榫形复式搭口，其搭接面型线如图（9），有防止搭口两端上下错位的作用。

（4）2.2/1四分之一园周弧形复式搭口，其搭接面型线如图（10），特点是搭口两端可上下错动。

（5）2.2/1大于四分之一园周弧形复式搭口，其搭接面型线如图11，特点是有限制搭口两端垂直和水平错位的作用。

（6）2.2/1勾榫复式搭口，其搭接面型线如图12，特点是有控制搭口两端水平错位的作用。

（7）2.2/1下斜燕尾榫形复式搭口，其搭接面型线如图13，特点是只有一部分控制搭接面两端水平错动的作用。

（8）2.2/1水平向园弧榫形复式搭口，其搭接面型线如图14，特点是有控制搭口两端上下错位的作用。

（9）4.2/2/2/1竖向中凸榫形复式搭口，其搭接面型线如图15有控制搭口两端水平错位的作用。

（10）4.2/2/2/1阶梯形复式搭口，其搭接面型线如图16特点是由四列阶梯形搭口组成，左边三列各有两个台阶， 右边一列只一个台阶。

（11）2.2/1阶梯形复式搭口，其搭接面型线如图17、特点是有控制搭口两端上下错动的作用。

（12）2.2/1倒角复式搭口，其搭面型线如图18，特点是只有部分控制搭口两端错动的作用。

（13）2.2/1直角斜榫形复式搭口，其搭面型线如图19，特点是有控制搭口两端上下左右错动的作用。

（14）4.2/2/2/1叉榫形复式搭口，其搭面型线如图20，特点是有完全控制搭口两端上下左右错位的作用。

（15）3.2/2/1横向凸榫形复式搭口，其搭接面型线如图21，特点是有完全控制搭口两端上下左右错位的作用。

（16）有弹簧互补销的密封系统，销的形状刚好与活塞环开口处两端形成2.2/1的阶梯形复式搭口关系，由于块的大头朝内无活塞环的弹力作用，为确保其对缸壁的紧密贴合，特在大头背面加一弹簧。图中15是活塞环，（16）是活塞，（17）是弹簧（18）是销块。

（17）、T形互补销密封系统，形如图27，其特点是不要弹簧，销块对活塞环端的补强作用最为显著。图中（19）是活塞环，（20）是T形销块。

（18）、插板形互补销密封系统，形如图28，图中（21）是活塞环，（22）是插板形销块。靠活塞环开口端弹力与缸壁贴合，不另加弹簧。

Claims (4)

1、一种机械密封装置，它包括采用密封件、相对滑动件和相对静止件，其特征在于：

a、上述密封件开口处分为多列阶梯形的复式搭口，或者，

b、上述密封件开口处呈密封销嵌入结构，

c、上述方案a和上述方案b的多道重复和交叉组合结构。

2、根据权利要求1所述机械密封装置，其特征在于上述复式搭口是指这样一种搭口，其密封件搭口位于两主密封面间的端隙呈无漏泄通道的死角，其搭接面的型线在其搭接段的横切面内是一条由一个主密封面上一点到另一个主密封面上一点的连线，其被搭接段分隔成的相邻两部分端隙之间绐终保持着互不相连的距离。

3、根据权利要求1所述机械密封装置，其特征在于上述密封销嵌入结构是指这样一种结构，即在上述密封件开口处嵌入一个动配合的密封销，使密封件开口两端与销之间构成复式搭口结构。

4、一种机械密封件制造方法，它包括采用密封件浇铸、精加工等工艺，其特征在于：

a、多个窄环组合为一套或一个密封件，即，先按搭接面型线精密地加工制成有相应搭接面形状的窄环，然后酸洗电镀一层铜，再按整体设计的形状组合起来作扩散焊接，最后对整环的外圆和径向平面精磨成密封件，或者，

b、整环切削加工成一个密封件，即，先用靠模对粗加工开了口的毛坯向两端分别加工出搭口处的搭接面，然后在圆模内紧合状态下加工环背，外圆精磨，热定形，或者，

c、分别加工柱形销槽口及隔板，即，先加工出未开槽的柱形销，然后在精密夹具上定位后加工出相通的槽，再于中线处切一个与隔界等宽的槽并于槽中嵌入一片静配合的隔板，最后精磨销头配合面即得到所需互不相通的对称槽口，或者，

d、柱形销两件组合法，即，先在一个柱形顶面上铣出与复式搭口密封件的端部形状相配合的榫口形状，再切下顶部一块柱片，又把该柱片反转焊接在销头上并精加工顶面，从而制成与复式搭口密封件精密配合的柱形销。

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