CN110005816A - 一种高压往复密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压往复密封结构，包括密封环、X型密封圈和O型密封圈；密封环为左右对称结构，其与油缸配合面接触的一侧带有中间沟槽，另一侧带有密封底，密封底的左右两侧开设有密封沟槽；X型密封圈安装在中间沟槽内，O型密封圈安装在密封沟槽内；密封环位于中间沟槽的两侧带有密封唇，密封唇与油缸配合面以平台结构接触，形成多道迷宫密封结构；随着活塞向左或向右运动，相应一侧的密封唇起主要密封作用，从而实现双向密封。本发明通过左右对称密封环与X型密封圈和O型密封圈的配合设计，可有效切断高压油液和气体的流动，实现零泄漏，保证密封结构在满足高压、极限高低温环境下，具有可靠的密封性能和较低的摩擦力，疲劳寿命高。
Description
技术领域
本发明涉及密封件领域，特别是涉及一种高压往复密封结构。
背景技术
随着对机械结构轻量化、小型化、低能耗的需求不断提高，液压系统向高压、高精度方向发展。液压密封性元件的密封和摩擦性能成为决定系统性能的关键，尤其对高精度伺服油缸、航空航天等液压系统，要求在高压高速下，密封具有高可靠性，连续长时间工作不发生泄漏，而且要求摩擦力小，提高系统效率，降低能耗。然而目前使用的液压密封系统通常只能进行35MPa低压下单向密封，如斯特封、U型密封、Y型密封等，如果双向密封需要组合使用，结构复杂，尺寸大，而且在运动过程中容易发生倾斜及变性，导致摩擦力较大，对于压力高于35MPa的液压系统，目前传统的密封组合结构普遍摩擦力较大，工作过程发热严重，很容易发生疲劳失效导致泄漏，甚至酿成严重事故。我国国土辽阔，南北气候温度差异较大，不同季节极限低温和高温环境下，进行可靠密封，是提高我国液压系统性能和工作效率的关键。
随着我国智能汽车产业飞速发展，自动驾驶成为未来的发展趋势，自动驾驶中最关键的核心技术是线控制动系统，无论是高速行驶还是城市工况，随时都需要制动系统介入，而制动是关系行车安全的关键系统，必需具有高可靠性和高速响应特性，其底层硬件是液压制动油缸，随着制动系统向小型化、低功率、高压方向发展，制动油缸高压密封成为关键部件，而目前我国车企主要依赖进口，在可靠性、加压保压性能方面与国外产品具有较大差距。
另外，我国汽车产业快速发展，人们对汽车的乘坐舒适性要求不断提高，汽车悬架隔振越来越引起人们的重视。悬架是汽车行驶过程中隔离路面激励的关键部件，传统的被动悬架阻尼和刚度设计完成后都不能调节，整车平顺性和操纵稳定性不可兼顾，油气悬架具有优良减振性能、高能量密度、非线性刚度阻尼特性等成为目前先进的汽车悬架系统，使汽车在平滑路面、越野路面、空载、满载等不同工况下整车平顺性、操稳性、行驶安全性得到有效改善，尤其对于重型车辆、军用车辆等具有明显优势，油气悬架中浮动活塞用于密封隔离悬架油缸内高压油液和高压气体，浮动活塞密封是油气悬架的最核心部件，决定悬架性能、寿命及可靠性。
本专利提出的密封结构可以用于80MPa以内的浮动活塞两侧液压及气体密封，在满足高速、高压、极限高低温环境下密封可靠，摩擦力较低，疲劳寿命高，结构形式适用于活塞密封及杆密封。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种高压往复密封结构，能够解决浮动活塞两侧液压及气体密封在高速、高压和极限高低温环境下密封的可靠性问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高压往复密封结构，包括：密封环、X型密封圈和O型密封圈；其中，所述密封环为左右对称结构，其与油缸配合面接触的一侧中部带有中间沟槽，其另一侧与所述中间沟槽相对的位置带有密封底，所述密封底的左右两侧对称式开设有密封沟槽；所述X型密封圈安装在所述中间沟槽内，所述O型密封圈对称式安装在所述密封沟槽内；所述密封环位于所述中间沟槽的两侧带有对称分布的密封唇，所述密封唇与所述油缸配合面以平台结构接触，形成多道迷宫密封结构；随着活塞向左或向右运动，相应一侧的所述密封唇起主要密封作用，从而实现双向密封。
在本发明一个较佳实施例中，所述X型密封圈朝向所述油缸配合面的一边及朝向所述中间沟槽的另一边均带有圆弧形凹槽；所述X型密封圈与左右两侧的中间沟槽相对的两个边均为平面结构。
在本发明一个较佳实施例中，所述密封底的宽度大于所述中间沟槽的宽度；所述密封沟槽的顶部到所述密封底的下边缘中间的距离为所述O型密封圈直径的2/3～1倍。
在本发明一个较佳实施例中，所述密封底的底部两侧向所述密封沟槽方向延伸。
在本发明一个较佳实施例中，所述密封底的延伸边及所述密封沟槽的外侧边均为倒圆角结构。
在本发明一个较佳实施例中，所述密封环为聚四氟乙烯；所述X型密封圈和O型密封圈为氟橡胶、氢化丁腈橡胶或聚氨酯，其邵氏硬度为70-90。
在本发明一个较佳实施例中，沿运动方向为前部，所述密封唇与所述油缸配合面之间形成唇前角和唇后角，其中，所述唇前角大于所述唇后角。
在本发明一个较佳实施例中，所述唇前脚为30～80°，所述唇后角为5～30°。
在本发明一个较佳实施例中，所述平台结构的长度为1～10mm。
在本发明一个较佳实施例中，所述密封环的左右两侧与活塞之间为非接触式配合。
本发明的有益效果是：本发明一种高压往复密封结构，通过左右对称密封环与X型密封圈和O型密封圈的配合设计，能够满足左右双向密封的功能，可有效切断高压油液和气体的流动，实现零泄漏；通过密封底和O型密封圈的设计，为密封环提供足够的回弹力和可靠的密封性能，保证密封结构在满足高压、极限高低温环境下，具有可靠的密封性能和较低的摩擦力，疲劳寿命高。
附图说明
图1是本发明一种高压往复密封结构一较佳实施例1的立体结构示意图；
图2是本发明一种高压往复密封结构一较佳实施例2的立体结构示意图；
图3本发明一种高压往复密封结构一较佳实施例3的立体结构示意图；
图4是实施例1的高压往复密封结构的变形及应力云图；
图5是实施例1的高压往复密封结构的应变云图；
附图中各部件的标记如下：1.密封环，2.X型密封圈，3.O型密封圈，4.油缸配合面，5.中间沟槽，6.密封底，7.密封沟槽，8.密封唇。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1-5，本发明实施例包括：
实施例1
本发明揭示了一种高压往复密封结构，包括：
密封环1，所述密封环1为添加相关添加剂的聚四氟乙烯复合材料，具有超低的摩擦系数。所述密封环1为左右对称结构，其与油缸配合面4接触的一侧中部带有中间沟槽5，其另一侧与所述中间沟槽5相对的位置带有密封底6，所述密封底6的左右两侧对称式开设有密封沟槽7；所述X型密封圈2安装在所述中间沟槽5内，所述O型密封圈3对称式安装在所述密封沟槽7内；所述密封环1位于所述中间沟槽5的两侧带有对称分布的密封唇8，所述密封唇8与所述油缸配合面4以1～10mm长度的平台结构接触，形成多道迷宫密封结构；随着活塞向左或向右运动，相应一侧的所述密封唇起主要密封作用，从而实现双向密封。
具体地，所述密封底6的延伸边及所述密封沟槽7的外侧边均为倒圆角结构。通过倒圆角的结构设计，可以避免其在运动过程中与O型密封圈3接触产生应力集中，刮伤O型密封圈3。
X型密封圈2，所述X型密封圈2朝向所述油缸配合面4的一边及朝向所述中间沟槽5的另一边均带有圆弧形凹槽，所述X型密封圈2与左右两侧的中间沟槽5相对的两个边均为平面结构。具体地，圆弧形凹槽的结构设计可以减少接触面积和滑动摩擦，在外侧密封油压较高时，运动过程中外侧油压对X型密封圈外侧形成挤压，使密封接触压力升高，X型密封圈的密封性能随外侧压力升高而提升，具有自增强密封特性；平面结构的设计，可以防止应力集中和疲劳失效，提高X型密封圈结构的可靠性，并能提高足够压紧力。
O型密封圈3，所述O型密封圈3和X型密封圈2均为添加相关添加剂的氟橡胶或氢化丁腈橡胶，其邵氏硬度为70-90。O型密封圈3装配在所述密封环1底部的密封沟槽7内，装配的初始过盈量为10～30%。初始装配后，O型密封圈3发生变形，将密封环1上的密封唇8压紧在油缸配合面4上，长时间工作后密封唇顶部发生一定磨损，O型密封圈可以补偿磨损量。另外，O型密封圈可以提供足够的压紧力，在高油压或气压下保持可靠密封，防止密封在活塞运动过程中发生偏斜而导致摩擦力增大。经有限元仿真分析，装配后密封环最大应力39MPa，发生在密封唇顶部区域，结构应力分布合理，没有明显的应力集中。
在高压工况下，O型密封圈3硬度较大，可以提供足够的支撑力，密封唇与油缸配合面4之间压力较大，密封环1的密封唇顶部设计为平台结构，根据密封压力的不同设计平台结构的长度为1～10mm，避免接触面积太小产生应力集中，与配合面接触产生过度磨损。
另外，所述密封环1的左右两侧与活塞之间为非接触式配合。在极限高、低温环境下，由于不同材料热膨胀系数不同，两侧间隙可以防止在极限高温下结构间发生挤压，影响密封效果，同时避免产生应力集中及破坏。
本发明的工作原理为：
密封环1与油缸配合面4有6道密封，左右对称，以左侧为例进行表述如下：
当活塞向左运动，油缸相对静止，为防止左侧密封介质泄露，左侧密封起主要密封功能，在中间凹槽5左侧各有三道密封唇，规定沿运动方向为前部，所述密封唇与所述油缸配合面之间形成唇前角和唇后角，其中，所述唇前角（30～80°）大于所述唇后角（5～30°），能够有效切断残余的油液或气体流动，实现零泄漏。
当活塞向右运动，油缸相对静止，为防止右侧密封介质泄露，右侧密封起主要密封功能，在中间凹槽5右侧各有三道密封唇，规定沿运动方向为前部，所述密封唇与所述油缸配合面之间形成唇前角和唇后角，其中，所述唇前角（30～80°）大于所述唇后角（5～30°），能够有效切断残余的油液或气体流动，实现零泄漏。
本发明通过对称结构的密封环设计，实现双向密封的功能。
另外，活塞与配合面之间有很小的间隙，轴向具有一定间隙长度，以降低油缸内传递到密封处的压力，活塞与配合面通过导向带支撑，导向带为低摩擦聚四氟乙烯复合材料，提供径向支撑力，保持活塞和密封环具有良好同轴度，密封配合面粗糙度要求低于Ra 0.5微米。
本发明的密封结构，经有限元仿真分析，正常工作温度100℃下，装配后X型密封圈和O型密封圈应变云图，最大应变为0.28，发生在O型密封圈中心区域和X型密封圈底部，密封圈设计结构最大应变在合理范围内，可有效避免疲劳失效。
实施例2
与实施例1的区别在于，所述密封底6的宽度大于所述中间沟槽5的宽度；所述密封沟槽5的顶部到所述密封底6的下边缘中间的距离为所述O型密封圈3直径的2/3～1倍。通过密封环1上密封底6的结构设计，在动密封过程中可以为O型密封圈3提供良好后部支撑，延长O型密封圈3的使用寿命；两侧密封沟槽7可为第一道密封提供更大支撑力，提高密封性能。所述密封底6的底部两侧向所述密封沟槽7方向延伸。
实施例3
与实施例2的区别在于，所述密封环1与油缸配合面4有4道密封，单侧为2道密封，密封流体经过第二段密封间隙后，产生明显节流效果，密封压力迅速降低，低压流体更容通过X型密封圈密封，密封性能良好。该实施例结构简单，加工成本低，结构强度高，长时间工作疲劳失效风险较低。
本发明具有如下有益效果：
1、密封环通过多级迷宫密封，能够有效降低油液压力和泄露量，唇前角远大于唇后角的设计，使唇前角附近的压力梯度大于唇后角压力梯度，有利于往复运动过程中的反泵油效应，提高密封性能；密封环外侧平台和密封面间隙在0.001~0.1mm之间，避免间隙过大在高速或高压下X型密封圈被挤压到密封环间隙内破坏，间隙过小导致摩擦力和热应力增大，同时密封面只有密封唇局部和配合面接触，接触面积小，不会像斯特封等在运动过程中发生偏转导致接触摩擦力增大，在可靠密封的同时大幅降低摩擦力，对于伺服阀、油气悬架等应用可以明显提升系统动态响应特性；
2、通过密封环的部分油液或气体，到达X型密封圈后压力大幅降低，X型密封圈具有自增强密封性能，可以有效切断油液或气体流动，实现零泄露；X型密封圈与配合面接触面积小，有效降低了运动过程中的摩擦力，在运动过程中结构稳定，不会发生偏转，通过结构热仿真分析，结构设计合理，装配条件下应力应变较低，具有良好的疲劳可靠性；
3、密封环在底部两个O型圈的支撑下，结构稳定，通过设计与O型圈预压缩变形相适应的椭圆形沟槽，使O型圈运动过程中始终位于沟槽内，提供稳定的支撑力，密封环底部椭圆形凹槽中间结构将O型密封圈分开，避免O型圈发生互相挤压，提高了O型圈使用寿命；
4、本发明通过PTFE密封环及X型密封圈相互配合，对高压介质进行多道密封，结构紧凑，有效缩短了组合密封轴向长度，提高了系统密封性能和可靠性，降低摩擦力；
5、密封底在动密封过程中可以为O型圈提供良好后部支撑，延长O型圈使用寿命，两侧O型圈支撑槽可为第一道密封提供更大支撑力，提高密封性能；且单道密封结构设计，具有良好密封性能，其结构简单，加工成本低，可靠性高。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压往复密封结构，其特征在于，包括：密封环、X型密封圈和O型密封圈；其中，所述密封环为左右对称结构，其与油缸配合面接触的一侧中部带有中间沟槽，其另一侧与所述中间沟槽相对的位置带有密封底，所述密封底的左右两侧对称式开设有密封沟槽；所述X型密封圈安装在所述中间沟槽内，所述O型密封圈对称式安装在所述密封沟槽内；所述密封环位于所述中间沟槽的两侧带有对称分布的密封唇，所述密封唇与所述油缸配合面以平台结构接触，形成多道迷宫密封结构；随着活塞向左或向右运动，相应一侧的所述密封唇起主要密封作用，从而实现双向密封。
2.根据权利要求1所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述X型密封圈朝向所述油缸配合面的一边及朝向所述中间沟槽的另一边均带有圆弧形凹槽；所述X型密封圈与左右两侧的中间沟槽相对的两个边均为平面结构。
3.根据权利要求1所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述密封底的宽度大于所述中间沟槽的宽度；所述密封沟槽的顶部到所述密封底的下边缘中间的距离为所述O型密封圈直径的2/3～1倍。
4.根据权利要求3所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述密封底的底部两侧向所述密封沟槽方向延伸。
5.根据权利要求4所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述密封底的延伸边及所述密封沟槽的外侧边均为倒圆角结构。
6.根据权利要求1-3任一项所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述密封环为聚四氟乙烯；所述X型密封圈和O型密封圈为氟橡胶、氢化丁腈橡胶或聚氨酯，其邵氏硬度为70-90。
7.根据权利要求1所述的高压往复密封结构，其特征在于，沿运动方向为前部，所述密封唇与所述油缸配合面之间形成唇前角和唇后角，其中，所述唇前角大于所述唇后角。
8.根据权利要求7所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述唇前脚为30～80°，所述唇后角为5～30°。
9.根据权利要1所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述平台结构的长度为1～10mm。
10.根据权利要1所述的高压往复密封结构，其特征在于，所述密封环的左右两侧与活塞之间为非接触式配合。
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