CN112360980B - 有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构及其安装方法 - Google Patents

有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构及其安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构及其安装方法，包括有机玻璃球壳，所述有机玻璃球壳的中部设置有锥形开口，所述锥形开口的内端面配合安装有圆台形金属盘，圆台形金属盘的底面与锥形开口的内表面处安装有多个密封连接件，多个密封连接件围成一圈，每个密封连接件通过紧固螺栓与圆台形金属盘固定，紧固螺栓提供预紧力，将圆台形金属盘与有机玻璃球壳的锥形开口紧密贴合，工作可靠，密封性能好，安装方便。

Description

有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构及其安装方法
技术领域
本发明涉及潜水器密封结构技术领域，尤其是一种有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构及其安装方法。
背景技术
载人潜水器上最为关键的部件是载人舱球壳，能够为潜航员及乘客抵御外界海水的压力，提供一个大气压的常压的工作环境，而载人舱球壳上的设计有人孔、穿舱孔，这些开孔的密封性是关系到整个潜水器及乘员安全性的头等大事，一旦载人舱球壳发生漏水，后果不堪设想。
大深度的载人舱球壳多采用钛合金或高强金属制造而成，因为金属材料的压缩变形非常小，所以金属球壳的开口密封结构均采用密封圈密封的方式。但是当整个载人舱球壳采用全透明有机玻璃材料制造而成时，有机玻璃材料在拉压力作用下会产生粘弹性变形，采用传统的密封圈密封方式，可能会产生密封圈的压缩量不足或密封圈滑移、移位的现象，从而导致密封圈起不到密封作用，发生载人舱漏水的严重事故。为了提高密封的可靠性，通常在圆柱形、小于等于180度开角的球形有机玻璃与金属材料的密封结构设计上，会对接触的密封面周向和径向两个方向设置2种以上的密封圈，通过冗余设计，以加强密封结构的可靠性。但上述这种密封结构较为复杂，且在装配密封结构时，需要利用专用的工装以解决有机玻璃、密封圈、密封法兰之间的变形协调问题，如何优化密封结构形式，降低装配难度并提高二者之间的密封可靠性是当前亟需解决的问题，有机玻璃在受拉压力作用下自身会发生粘弹性变形，与变形量小的金属间可以形成较好密封。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构及其安装方法，从而无需使用密封圈，简化了结构，安装更加方便。
本发明所采用的技术方案如下：
一种有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，包括有机玻璃球壳，所述有机玻璃球壳的中部设置有锥形开口，所述锥形开口的内端面配合安装有圆台形金属盘，圆台形金属盘的底面与锥形开口的内表面处安装有多个密封连接件，多个密封连接件围成一圈，每个密封连接件通过紧固螺栓与圆台形金属盘固定，紧固螺栓提供预紧力，将圆台形金属盘与有机玻璃球壳的锥形开口紧密贴合。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述锥形开口的内端面与圆台形金属盘外圆周面为配合面。
所述有机玻璃球壳和圆台形金属盘的外表面同时承受外压力。
所述锥形开口的内端面上加工有多条平行间隔的凹槽。
每条凹槽上进行倒圆角。
凹槽的宽度为8-10mm。
密封连接件共设置有四个，四个密封连接件在圆周方向围成一圈，单个密封连接件呈圆弧形结构，在密封连接件的上表面一侧为平面结构，另一侧为弧面结构，所述平面结构上开有五个螺栓孔，所述平面结构与圆台形金属盘的底面配合，弧面结构与有机玻璃球壳的内表面配合。
密封连接件与圆台形金属盘在用紧固螺栓固定之后二者间仍留有间隙。
一种有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构的安装方法，
将有机玻璃球壳平置于地面，并用辅助工具固定；
然后用水平仪测定有机玻璃球壳的锥形开口的水平度，通过微调有机玻璃球壳的位置来保持锥形开口处于水平；
然后将四块密封连接件从锥形开口处放置于有机玻璃球壳的内部，用酒精将圆台形金属盘和有机玻璃球壳配合的面清理干净，置入圆台形金属盘并使接触面初步贴合，
最后用扭力扳手，逐一将密封连接件与圆台形金属盘的紧固螺栓拧紧；
在完成组装后，为验证整体密封性，须进行0.1MPa内压气密性试验，保压时间大于等于20min，压力保持不变，认为装配精度达到使用要求。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，借助于有机玻璃在外力作用下会产生粘弹性变形而金属材料受压力作用下基本无变形这一特性，在有机玻璃球壳的锥面上设计了若干个凹槽从而降低接触面刚度，达到提高锥面在受压时所产生的柔性变形量目的，进一步通过施加预紧力并保证零部件加工、装配精度，变形量较小的圆台形金属盘通过挤压变形量大的有机玻璃球壳锥形开口从而形成周向密封，在锥形面与圆台形金属盘之间建立初始状态密封，当外压力增加至一定量，锥形开口变形量将超过施加预紧力产生的变形，粘弹性变形量的增大使圆台形金属盘与锥形开口间达到更佳的密封效果，从而实现有机玻璃与金属两种不同材料在受外压作用的任何阶段，不使用密封圈即能实现可靠的密封。
本发明为全透明有机玻璃球壳上人孔、穿舱件等大开口提供一种新型的密封解决方案。
本发明密封结构形式简单，借助于有机玻璃自身粘弹性变形，无需使用密封圈即可实现高可靠性的水下密封，节省了密封圈费用。
本发明结构设计巧妙，装配难度低，密封连接件分为多段，利用紧固螺栓可轻松实现密封连接件与圆台形金属盘的装配，无需使用专用装配工装。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(实施例一)。
图2为图1中沿A-A截面的全剖视图。
图3为本发明的结构示意图(实施例二)。
图4为本发明有机玻璃球壳的结构示意图(实施例二)。
图5为图4中I部的局部放大图。
图6为本发明的爆炸图(实施例二)。
图7为本发明密封连接件的结构示意图。
其中：1、有机玻璃球壳；2、内端面；201、凹槽；3、圆台形金属盘；4、紧固螺栓；5、密封连接件；
501、弧面结构；502、平面结构；503、螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图7所示，本实施例的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，包括有机玻璃球壳1，有机玻璃球壳1的中部设置有锥形开口，锥形开口的内端面2配合安装有圆台形金属盘3，圆台形金属盘3的底面与锥形开口的内表面处安装有多个密封连接件5，多个密封连接件5围成一圈，每个密封连接件5通过紧固螺栓4与圆台形金属盘3固定，紧固螺栓4提供预紧力，将圆台形金属盘3与有机玻璃球壳1的锥形开口紧密贴合。
锥形开口的内端面2与圆台形金属盘3外圆周面为配合面。
有机玻璃球壳1和圆台形金属盘3的外表面同时承受外压力。
锥形开口的内端面2上加工有多条平行间隔的凹槽201。
每条凹槽201上进行倒圆角。
凹槽201的宽度为8-10mm。
密封连接件5共设置有四个，四个密封连接件5在圆周方向围成一圈，单个密封连接件5呈圆弧形结构，在密封连接件5的上表面一侧为平面结构502，另一侧为弧面结构501，平面结构502上开有五个螺栓孔503，平面结构502与圆台形金属盘3的底面配合，弧面结构501与有机玻璃球壳1的内表面配合。
密封连接件5与圆台形金属盘3在用紧固螺栓4固定之后二者间仍留有间隙。
本实施例的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构的安装方法，
将有机玻璃球壳1平置于地面，并用辅助工具固定；
然后用水平仪测定有机玻璃球壳1的锥形开口的水平度，通过微调有机玻璃球壳1的位置来保持锥形开口处于水平；
然后将四块密封连接件5从锥形开口处放置于有机玻璃球壳1的内部，用酒精将圆台形金属盘3和有机玻璃球壳1配合的面清理干净，置入圆台形金属盘3并使接触面初步贴合，
最后用扭力扳手，逐一将密封连接件5与圆台形金属盘3的紧固螺栓4拧紧；
在完成组装后，为验证整体密封性，须进行0.1MPa内压气密性试验，保压时间大于等于20min，压力保持不变，认为装配精度达到使用要求。
实际使用过程中：
(一)零部件的加工制造：
在有机玻璃球壳1制造过程中，采用成型模具整体浇筑热成型工艺，通过对冷却过程中的温度、时间进行控制达到有机玻璃球壳1的整体均匀统一性，成型后通过对整个球壳内外表面与锥形开口进行数控加工与研抛，达到表面粗糙度3.2的技术要求，在完成研抛后，对锥形开口处开设若干个凹槽201(凹槽201数量根据球壳厚度适当调整)，凹槽201尺寸也根据实际需求进行调整，对凹槽201局部进行倒圆角处理以减小局部应力集中。
密封连接件5设计有四个，与球壳内表面贴合部分为弧面结构501，采用数控加工要求表面粗糙度不大于3.2。
圆台形金属盘3与有机玻璃球壳1的贴合面要求表面粗糙度不大于3.2。
(二)组合球的集成装配方法：
将有机玻璃球壳1平置于地面装配工装(此工装现有技术)之上，用水平仪测定球壳锥形开口的水平度，通过微调球壳位置保持球壳开口处于水平，将四块密封连接件5从球壳锥形开口处放置于有机玻璃球壳1的内部，用酒精将圆台形金属盘3和有机玻璃球壳1贴合锥面清理干净，置入圆台形金属盘3并使接触面初步贴合，最后用扭力扳手(设置20Nm扭力)，逐一将密封连接件5与圆台形金属盘3的紧固螺栓4拧紧，为保证初始密封性，密封连接件5与圆台形金属盘3之间间隙应控制在5mm以内。在完成组装后，为验证整体密封性，须进行0.1MPa内压气密性试验，保压时间不小于20min，压力保持不变，可认为装配精度达到使用要求。
(三)组合球的使用维护要求：
预紧力检查：组合后的有机玻璃球壳1在长期承受外界压力的使用过程中，可能会出现紧固螺栓4发生松动导致预紧力不足情况，影响密封面的初始密封性，因此应在受外压结束后定期用扭力扳手对紧固螺栓4的预紧力进行检查。
接触面损伤检查：每一年要将组合后的有机玻璃球壳1进行拆解，对有机玻璃球壳1的锥形开口处所产生的银纹和损伤情况进行检查、评估，在评估合格后，重新进行装配并测试0.1MPa内压下密封性，密封性满足要求后方可继续使用。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (8)

1.一种有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：包括有机玻璃球壳（1），所述有机玻璃球壳（1）的中部设置有锥形开口，所述锥形开口的内端面（2）配合安装有圆台形金属盘（3），圆台形金属盘（3）的底面与锥形开口的内表面处安装有多个密封连接件（5），多个密封连接件（5）围成一圈，每个密封连接件（5）通过紧固螺栓（4）与圆台形金属盘（3）固定，紧固螺栓（4）提供预紧力，将圆台形金属盘（3）与有机玻璃球壳（1）的锥形开口紧密贴合；
安装方法如下：
将有机玻璃球壳（1）平置于地面，并用辅助工具固定；
然后用水平仪测定有机玻璃球壳（1）的锥形开口的水平度，通过微调有机玻璃球壳（1）的位置来保持锥形开口处于水平；
然后将四块密封连接件（5）从锥形开口处放置于有机玻璃球壳（1）的内部，用酒精将圆台形金属盘（3）和有机玻璃球壳（1）配合的面清理干净，置入圆台形金属盘（3）并使接触面初步贴合，
最后用扭力扳手，逐一将密封连接件（5）与圆台形金属盘（3）的紧固螺栓（4）拧紧；
在完成组装后，为验证整体密封性，须进行0.1MPa内压气密性试验，保压时间大于等于20min，压力保持不变，认为装配精度达到使用要求。
2.如权利要求1所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：所述锥形开口的内端面（2）与圆台形金属盘（3）外圆周面为配合面。
3.如权利要求1所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：所述有机玻璃球壳（1）和圆台形金属盘（3）的外表面同时承受外压力。
4.如权利要求1所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：所述锥形开口的内端面（2）上加工有多条平行间隔的凹槽（201）。
5.如权利要求4所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：每条凹槽（201）上进行倒圆角。
6.如权利要求4所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：凹槽（201）的宽度为8-10mm。
7.如权利要求1所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：密封连接件（5）共设置有四个，四个密封连接件（5）在圆周方向围成一圈，单个密封连接件（5）呈圆弧形结构，在密封连接件（5）的上表面一侧为平面结构（502），另一侧为弧面结构（501），所述平面结构（502）上开有五个螺栓孔（503），所述平面结构（502）与圆台形金属盘（3）的底面配合，弧面结构（501）与有机玻璃球壳（1）的内表面配合。
8.如权利要求1所述的有机玻璃与金属材料间无密封圈的密封结构，其特征在于：密封连接件（5）与圆台形金属盘（3）在用紧固螺栓（4）固定之后二者间仍留有间隙。
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