CN109973658A - 一种自补偿智能唇形密封 - Google Patents

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姜炳岐
闫传祥
项冲
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Abstract

一种自补偿智能唇形密封，包括工作腔外壳体，与外壳体过盈配合的密封圈本体，密封圈本体中镶嵌的金属骨架，密封圈本体下部凹槽中镶嵌的普通金属弹簧，普通金属弹簧内部嵌套的SMA记忆合金环，以及与密封圈本体接触的旋转轴；SMA记忆合金环与普通金属弹簧共同确保密封唇与轴之间的接触压力，在低温区间与常温区间主要由普通金属弹簧提供径向力，在高温区间主要由SMA记忆合金环提供径向力；本发明使用SMA记忆合金环嵌套在普通金属弹簧内，既满足高温环境下径向力的补偿，又避免了低温环境下径向力过大造成过度磨损，能够实现宽温域下稳定长久的智能密封。

Description

一种自补偿智能唇形密封
技术领域
本发明涉及一种橡塑密封结构，特别涉及一种自补偿智能唇形密封。
背景技术
在工业生产和日常生活中，密封件是保证机械装备正常运行的重要基础件，对主机的安全性、工作性能、可靠性和环境保护功能都有着非常重要的影响。一旦密封结构发生失效，不仅会造成工作介质和润滑液体的大量损失，造成环境的污染，腐蚀设备和工作环境，更严重的还会因此而失火爆炸，引发人身、设备的安全事故。因此，对于密封技术的研究是当前制造业发展的重点。
唇形密封圈(以下简称唇封)作为一种经典的橡塑动密封元件，因其结构简单、紧凑，性能可靠，能够实现一定意义上的“零泄漏”，并且有广泛的适应性，而成为最常用的密封件之一。橡胶凭借其无可比拟的弹性和回弹性，成为最常用的唇封材料。但是橡胶的材料特性对温度具有很强的依赖性，当密封服役环境温度变化较大时，唇封性能就会受到严重影响。传统密封一般只被设计在较窄的温度范围内工作。工作温度过低会导致橡胶材料硬化，磨损加剧而降低密封寿命；温度过高会使橡胶材料软化，丧失回弹追随特性而产生泄漏。
然而随着现代工业的发展，如航天航空、能源工业等行业都对高温或低温环境下设备的工作性能提出了更高的要求，为了满足工业发展的需求，需要对现有唇形密封件进行改良，以满足其在宽温域下的密封性能和使用寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自补偿智能唇形密封，能够自行补偿由于温度变化导致的材料磨损或软化造成的接触压力降低，保证密封件在宽温域下的密封性能，提高其使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自补偿智能唇形密封，包括工作腔外壳体1，在工作腔外壳体1有与其过盈配合的密封圈本体2，密封圈本体2下部有周向的凹槽，凹槽中镶嵌有环形的普通金属弹簧4，普通金属弹簧4内部嵌套有SMA记忆合金环5，密封圈本体2的下部与径向的旋转轴6接触。
在常温和低温下普通金属弹簧4处于拉伸状态，SMA记忆合金环5处于松弛状态，在高温下SMA记忆合金环5和普通金属弹簧4均处于拉伸状态。
本发明中，常温指室温，低温指橡胶材料硬化的温度，高温指橡胶材料软化的温度，具体根据材料不同有所不同。
所述密封圈本体2中镶嵌有金属骨架3，金属骨架3位于密封圈本体2的上部，呈周向设置。
所述普通金属弹簧4与SMA记忆合金环5共同确保密封圈本体2与旋转轴6之间的接触压力，在低温区间与常温区间主要由普通金属弹簧4提供径向力，在高温区间主要由SMA记忆合金环5提供径向力。
所述SMA记忆合金环5在升温过程中由马氏体相向奥氏体相转变，在降温过程中由奥氏体相向马氏体向转变。
所述SMA记忆合金环5在高温时发生相变收缩，提供较大的径向力，抵消密封圈软化造成的径向力降低，保证密封圈与常温状态下径向力相近。
所述普通金属弹簧4内、外径和线径足够容纳SMA记忆合金环5。
所述SMA记忆合金环5，截面为圆形、C型或O型等其它形状。
所述SMA记忆合金环5还可使用其他在不同温度环境下有不同性能表现的材料。
本发明通过普通金属弹簧4内嵌套SMA记忆合金环5的形式，利用SMA记忆合金环5在高温时发生相变收缩，提供较大的径向力的特征，在低温区间与常温区间主要由普通金属弹簧4提供径向力，在高温区间主要由SMA记忆合金环5压紧普通金属弹簧4提供径向力，从而满足在宽温域下唇封的密封性能。
与现有技术相比，本发明解决了传统唇形密封在高温下由于材料软化造成径向力减小引发泄漏的问题，以及为保证高温径向力而导致低温条件下材料磨损剧烈的问题，提供了一种宽温域下具有良好密封性能与较长寿命的智能密封。
附图说明
图1为本发明的截面结构示意图(轴对称剖面图)。
图2为普通金属弹簧与SMA记忆合金环的嵌套结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参照图1，一种自补偿智能唇形密封，包括工作腔外壳体1，在工作腔外壳体1中有与其过盈配合的密封圈本体2，密封圈本体2中镶嵌有金属骨架3，金属骨架3位于密封圈本体2的上部，呈周向设置。密封圈本体2下部有周向的凹槽，凹槽中镶嵌有环形的普通金属弹簧4，普通金属弹簧4内部嵌套有SMA记忆合金环5，密封圈本体2的下部与径向的旋转轴6接触。
参照图2，SMA记忆合金环5完全嵌套在普通金属弹簧4内部，普通金属弹簧4内、外径和线径足够容纳SMA记忆合金环5，SMA记忆合金环5截面可以为圆形、C型或O型等其它形状，本实施例中为圆形，SMA记忆合金环5还可使用其他在不同温度环境下有不同性能表现的材料。
本发明中，由普通金属弹簧4与SMA记忆合金环5共同确保密封圈本体2与旋转轴6之间的接触压力，在常温和低温下普通金属弹簧4处于拉伸状态，主要由普通金属弹簧4提供径向力，在高温下SMA记忆合金环5和普通金属弹簧4均处于拉伸状态，主要由SMA记忆合金环5提供径向力。
本发明的工作原理为：在常温或低温环境下，SMA记忆合金环5处于马氏体相状态，弹性模量较低，不能为密封圈本体2提供足够的径向力，此时主要由普通金属弹簧4提供径向力，保证智能唇形密封的密封性能；随着环境温度的升高，SMA记忆合金环5逐渐由马氏体相向奥氏体相转变，弹性模量增大，合金环收缩，补充由于橡胶材料受热软化造成的径向力降低，保证智能唇形密封在高温环境下的密封性能。
普通唇形密封在高温环境中都面临着径向力减小而失效的问题，而某些改进措施选择增大常温状态下的径向力，以弥补高温环境下的软化效应，但这种改进方法会造成唇封在低温环境下硬化时，径向力过大从而导致磨损加剧，反而缩短其工作寿命。本发明使用SMA记忆合金环5嵌套在普通金属弹簧4内，既满足高温环境下径向力的补偿，又避免了低温环境下径向力过大造成过度磨损，能够实现宽温域下稳定长久的智能密封。

Claims (8)

1.一种自补偿智能唇形密封，其特征在于，包括工作腔外壳体(1)，在工作腔外壳体(1)有与其过盈配合的密封圈本体(2)，密封圈本体(2)下部有周向的凹槽，凹槽中镶嵌有环形的普通金属弹簧(4)，普通金属弹簧(4)内部嵌套有SMA记忆合金环(5)，密封圈本体(2)的下部与径向的旋转轴(6)接触。
2.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，在常温和低温下普通金属弹簧(4)处于拉伸状态，SMA记忆合金环(5)处于松弛状态，在高温下SMA记忆合金环(5)和普通金属弹簧(4)均处于拉伸状态。
3.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，所述密封圈本体(2)中镶嵌有金属骨架(3)，金属骨架(3)位于密封圈本体(2)的上部，呈周向设置。
4.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，所述普通金属弹簧(4)与SMA记忆合金环(5)共同确保密封圈本体(2)与旋转轴(6)之间的接触压力，在低温区间与常温区间主要由普通金属弹簧(4)提供径向力，在高温区间主要由SMA记忆合金环(5)提供径向力。
5.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，所述SMA记忆合金环(5)在升温过程中由马氏体相向奥氏体相转变，在降温过程中由奥氏体相向马氏体向转变。
6.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，所述SMA记忆合金环(5)在高温时发生相变收缩，提供径向力。
7.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，所述普通金属弹簧(4)内、外径和线径足够容纳SMA记忆合金环(5)。
8.根据权利要求1所述自补偿智能唇形密封，其特征在于，所述SMA记忆合金环(5)，截面为圆形、C型或O型。
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