CN113266677A - 一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈及其安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈,在一个环形的螺旋弹簧外部包裹着ρ形板簧，ρ形板簧的端部外侧面为主密封面；ρ形板簧为双层结构，其内层为弹性基材构成的骨架层，外层为表面电镀软金属构成的密封层，所述软金属是指硬度低于HB40的金属。电镀软金属为填补ρ形密封圈本体表面微观不平度；一方面为密封层提供支撑，另外一方面，包裹螺旋弹簧，还有是能借助系统介质压力，形成一个压力空腔，借助系统压力，使ρ形板簧周向贴紧需要密封的各相关部位。本发明能适应高温高压耐辐射或适应超低温超低压，尤其是具备足够大补偿能力的密封圈装置。

Description

一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈及其安装结构

技术领域

本发明属于轴类密封技术领域，尤其涉及高温高压及核辐射或低温低压流体介质工况下的轴类零件的密封装置。

背景技术

对于处于高温、高压及高剂量核辐射，以及复杂工况下的轴及轴套密封，要求密封圈材质的耐温要超过350℃至650℃或更高，耐压力大于50MPa至300Mpa或更高，而且密封件要能耐高剂量核辐射，如核电厂的核反应堆压力容器及其管道泵阀门组件以及核岛控制棒驱动机构，核岛控制棒工作特点是平常处于静止密封状态，只在启动、功率调节、停堆、或事故工况处置时才需要操纵带动控制棒在堆芯内作上下微动作，且是处于高温高压和强辐射状态下。再如高温发动机、高压成型挤压机、大型机械，都需要有别于常规的非金属密封圈。

此外，对于超低温、超低压工作温度的设备，其要求密封件能适应-250℃超低温和10^-6pa超低压力应用条件。

现有技术使用的非金属内置弹簧轴封，其材质如PTFE、尼龙及聚胺酯，此类密封圈的本体耐高温均不超过250℃，耐低温不低于-40℃，以及不耐辐射，达不到使用要求。再如石墨盘根或石墨环，密封可靠性差，且容易掉粉尘，且需要较大的安装空间。

现有技术还有金属上开口弹簧增强型C型密封圈，但由于受到结构压缩不能太大的限制，造成弹簧补偿能力有限，这是金属开口弹簧存在的重要缺陷，因此亟需予以改进，设计能适应高温高压耐辐射或适应超低温超低压，尤其是具备足够大补偿能力的新结构的密封圈。

发明内容

本发明的任务是，克服现有技术的密封圈所存在的上述各种缺陷，提供一种能适应高温高压耐辐射或适应超低温超低压，尤其是具备足够大补偿能力的密封圈装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈,其特征是，在一个环形的螺旋弹簧外部包裹着ρ形板簧，ρ形板簧的端部外侧面为主密封面；ρ形板簧为双层结构，其内层为弹性基材构成的骨架层，外层为表面电镀软金属构成的密封层，所述软金属是指硬度低于HB40的金属。

电镀软金属为填补ρ形密封圈本体表面微观不平度；一方面为密封层提供支撑，另外一方面，包裹螺旋弹簧，还有是能借助系统介质压力，形成一个压力空腔，借助系统压力，使ρ形板簧周向贴紧需要密封的各相关部位。

工作状态时，ρ形密封圈及密封圈中螺旋弹簧由于受到轴向压力，密封圈整体发生形变，螺旋弹簧会迫使与之紧密封接触的密封圈本体与需要密封轴的圆周面紧密封贴合，在轴或轴套发生松驰时，被挤压的螺旋弹簧能提供一定的补偿力让密封圈补偿轴与轴套间可能会产生的间隙。另外，本产品的整体截面的结构设计，是为让系统内的压力同时作用于整体密封圈内腔，从而系统压力会迫使密封圈长边与轴贴合力更加紧密，从而达到可靠密封的作用。

优选方案，主密封面设置有刃口和密封唇，构成接触带的刃口密封跨距宽度为0.25—0.5mm。根据密封原理，完全的密封归根到底是要建立一道完整的封闭曲线。在密封面设置刃口有利于达到建立一道封闭曲线的目的。

优选方案，所述软金属，当工作温度范围为-250℃至+815℃时，为电镀银、金或铜；当工作温度范围超过815℃时电镀软镍；电镀层厚度为0.02-0.05mm；各相关零件的接触表面粗糙度Ra低于0.4um；骨架层及螺旋弹簧的材料为316L/304/inconel718/inconelx-750。

优选方案，有一个与设备的轴密封部位配合且与设备的机体固定连接的轴套，轴套前端设置有密封圈座，安装在密封圈座中的ρ形密封圈的ρ形开口朝向流体压力方向，密封圈座的深度比ρ形密封圈的高度小一定的尺寸量；与轴套前端面对应设置有轴盖，轴盖与轴套通过螺栓可调节间隙地固定连接并且挤压ρ形板簧和螺旋弹簧，所述可调节间隙指可调整配合间隙厚度以保证轴盖以设计所需的压力顶压ρ形密封圈前端面；ρ形密封圈的外径或/和内径利用弹性力加上流体扩张压力而张开以与轴套内表面以及轴抵压密封。

优选方案，在超高温或超低温工况下使用时，相关零件包括密封圈座、轴盖、螺栓和ρ形密封圈采用相同的材质。

优选方案，轴盖与密封圈座的压紧量为可调节并有锁定结构。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用ρ形板簧包裹螺旋弹簧，ρ形板簧和螺旋弹簧两者皆为弹性元件，两者联合作用使密封面接触力更强大，补偿效果远比常规密封圈的补偿效果好，具备巨大的压力适应性。

2.整体材料选用因科镍合金inconel718或inconel X-750,该材料耐高温、耐腐蚀、耐松弛和耐辐射，具有极为良好的温度适应性和优异的工作介质适应性。

3.ρ形板簧的结构在横剖面上比拟于非接触型涡卷弹簧，其特性曲线与扭转弹簧类似，外力矩和角变形量呈线性关系，使密封效果避免因工况变化发生拐点变化。

4.ρ形板簧口部朝向流体压力的方向，压力流体充满ρ形板簧内腔，成为辅助密封压力。

5.在ρ形板簧的外表面电镀软金属层，能够弥补因选用金属材料的ρ形板簧不如弹性橡胶圈的柔性，同时将配合面提高光洁度，或者说减低粗糙度，克服金属材料的微观不平度的不足。

6.可利用调整密封圈压紧度调节弹力，调节机构或依充足资料数据设计最精确的压紧度并锁定，同时便于密封圈初始安装。

附图说明

图1是本发明一种ρ形密封圈的密封面向内的结构示意图；

图2是本发明一种ρ形密封圈的密封面向外的结构示意图；

图3是图1所述ρ形密封圈安装结构示意图；

图4是图2所述ρ形密封圈安装结构示意图。

图中：ρ形密封圈1；螺旋弹簧2；ρ形板簧3；主密封面4；骨架层5；密封层6；刃口7；轴8；轴套9；密封圈座10；轴盖11；

RS表示ρ形密封圈3的宽度；

AS表示ρ形板簧3的高度；

MT表示ρ形板簧3的厚度；

DSI表示主密封面4向内的ρ形板簧3的内径；

DSO表示主密封面4向外的ρ形板簧3的外径。

BD表示轴套9的密封圈座10外径；

SD表示轴8外径；

Gap表示轴8与轴套9内径间安装间隙；

WG表示密封圈座10的安装槽宽；

GD表示密封圈座10的深度；

DC表示ρ形密封圈1与密封圈座10初始安装间隙；

R表示密封圈座10底部倒角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：如图1所示，一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈1,在一个环形的螺旋弹簧2外部包裹着ρ形板簧3，ρ形板簧3的端部外侧面为主密封面4；ρ形板簧3为双层结构，其内层为弹性基材构成的骨架层5，外层为表面电镀软金属构成的密封层6，所述软金属是指硬度低于HB40的金属，电镀软金属层是为填补ρ形密封圈1的ρ形板簧3本体与轴配合之微观表面不平度；ρ形板簧3为密封层6提供支撑和包裹螺旋弹簧2，还能借助系统介质压力，形成一个压力空腔，借助系统压力挤压ρ形板簧3使其周向更利于贴紧需要密封的轴。内部的螺旋弹簧2为ρ形密封圈1提供附加补偿力。环形的螺旋弹簧2为圆柱螺旋弹簧绕成环形再用氩弧焊接并修磨抛光而成，ρ形密封圈1的ρ形板簧3本体同法焊接完成。根据ρ形密封圈1应用场合不同，ρ形密封圈1的主密封面4有向内或向外两种结构。图2为ρ形密封圈1的主密封面4向外的结构示意图。

主密封面4即ρ形板簧3外侧密封面设置有刃口7和密封唇，构成接触带的刃口7密封跨距宽度为0.25—0.5mm。

所述软金属，当ρ形密封圈1应用于工作温度范围为-250℃至+815℃时，为电镀银、金或铜；当应用于工作温度范围超过815℃时电镀软镍；电镀层厚度为0.02-0.05mm；各相关零件的接触表面粗糙度，包括ρ形密封圈1的主密封面4及相关零部件配合面的粗糙度低于Ra 0.4um。构成骨架层5的材料以及构成环形的螺旋弹簧2的材料为316L/304/inconel718/inconelx-750。为适应高温应用条件，后两款材料耐高温的性能更优良，且弹簧力学性能呈较好的线性变化。

如果工作温度范围低于200℃，密封层6也可电镀锡或铅。

图1及图2中，RS表示ρ形密封圈3的宽度；AS表示ρ形板簧3的高度；MT表示ρ形板簧3的厚度；DSO表示主密封面4向外的ρ形板簧3的外径；DSI表示主密封面4向内的ρ形板簧3的内径。

实施例2：包括实施例1所述的任一种内置螺旋弹簧2的ρ形密封圈1其安装结构，有一个与所应用的设备的轴8密封部位配合且与设备的机体固定连接的轴套9，轴套9前端设置有密封圈座10，安装在密封圈座10中的ρ形密封圈1的ρ形开口朝向流体压力方向，密封圈座10的深度比ρ形密封圈1的高度AS小一定的尺寸量；与轴套9前端面对应设置有轴盖11，轴盖11与轴套9通过螺栓可调节间隙地固定连接并且挤压ρ形板簧3和螺旋弹簧2，所述可调节间隙指可调整配合间隙厚度以保证轴盖11以设计所需的压力顶压ρ形密封圈1前端面；ρ形密封圈1的外径或/和内径利用弹性力加上流体扩张压力而张开以与轴套9内表面以及轴8抵压密封。轴颈、密封圈座10的密封偶面粗糙度低于Ra 0.4um。参见图3、图4。

此外，还要注意一点，当工作温度为超高温或超低温范围时，为了避免密封件及被密封基体材质的膨胀系数不同，在超高温或超低温工况下使用时，可能使密封性遭到破坏，所以必须将密封件及被密封偶，包括连接螺栓、轴盖11及密封圈座10同时选用同种材料。

轴盖11与密封圈座10的压紧距离为可调节并有锁定结构调节机构包括螺纹结构或垫片调节。

本装置在工作状态时，ρ形密封圈1及其中的螺旋弹簧2由于受到轴盖11的轴向压力，ρ形密封圈1整体发生形变，螺旋弹簧2会迫使与之紧密封接触的ρ形密封圈1本体与需要密封轴8的圆周面紧密贴合，在轴8或轴套9发生松驰时，被挤压的螺旋弹簧2能提供一定的补偿力让ρ形密封圈1补偿轴8与轴套9间可能会产生的间隙。另外，本产品的整体截面的结构设计，是为让系统内的压力同时作用于整体ρ形密封圈1内侧，从而系统压力会迫使ρ形密封圈1长边端部刃口7与轴8接触更加紧密，从而达到可靠密封的作用。

当处在类似工况工作时，高温高压的气体介质工作会通过轴8与轴套9间隙，流向密封圈座10，密封圈座10装有ρ形密封圈1，防止高温高压介质外流。

本发明相对传统金属上开口端面密封圈的结构比较，有利于轴向压力使得ρ形板簧3和螺旋弹簧2都产生变形，产生横向的挤压力与补偿作用，这样无论是对于装配还是密封性的保持，都有很大作用，密封性可以比传统密封圈提高一个数量级。

图3及图4中，BD表示轴套9的密封圈座10外径；SD表示轴8外径；Gap表示轴8与轴套9内径间安装间隙；WG表示密封圈座10的安装槽宽；GD表示密封圈座10的深度；DC表示ρ形密封圈1与密封圈座10初始安装间隙；R表示密封圈座10底部倒角。

GD表示的密封圈座10的深度用于调节轴盖11对ρ形密封圈1的顶压量，即能调节ρ形密封圈1横向变形量，从而使ρ形密封圈1包括主密封面4的刃口7及与密封座10各配合面的顶压力及补偿力。

因为存在Gap表示的轴8与轴套9内径间安装间隙和DC表示的ρ形密封圈1与密封圈座10初始安装间隙，使得ρ形密封圈1对密封座10的安装非常轻松，而后有轴盖11的顶压，使得ρ形密封圈1能够充分保证密封效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈,其特征是，在一个环形的螺旋弹簧外部包裹着ρ形板簧，ρ形板簧的端部外侧面为主密封面；ρ形板簧为双层结构，其内层为弹性基材构成的骨架层，外层为表面电镀软金属构成的密封层，所述软金属是指硬度低于HB40的金属。

2.根据权利要求1所述的一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈，其特征是，主密封面设置有刃口和密封唇，构成接触带的刃口密封跨距宽度为0.25—0.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈，其特征是，所述软金属，当工作温度范围为-250℃至+815℃时，为电镀银、金或铜；当工作温度范围超过815℃时电镀软镍；电镀层厚度为0.02-0.05mm；各相关零件的接触表面粗糙度Ra低于0.4um；骨架层及螺旋弹簧的材料为316L/304/inconel718/inconelx-750。

4.根据上述任一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈的安装结构，其特征是，有一个与设备的轴密封部位配合且与设备的机体固定连接的轴套，轴套前端设置有密封圈座，安装在密封圈座中的ρ形密封圈的ρ形开口朝向流体压力方向，密封圈座的深度比ρ形密封圈的高度小一定的尺寸量；与轴套前端面对应设置有轴盖，轴盖与轴套通过螺栓可调节间隙地固定连接并且挤压ρ形板簧和螺旋弹簧，所述可调节间隙指可调整配合间隙厚度以保证轴盖以设计所需的压力顶压ρ形密封圈前端面；ρ形密封圈的外径或/和内径利用弹性力加上流体扩张压力而张开以与轴套内表面以及轴抵压密封。

5.根据权利要求4所述的任一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈的安装结构，其特征是，在超高温或超低温工况下使用时，相关零件包括密封圈座、轴盖、螺栓和ρ形密封圈采用相同的材质。

6.根据权利要求5所述的任一种内置螺旋弹簧的ρ形密封圈的安装结构，其特征是，轴盖与密封圈座的压紧距离为可调节并有锁定结构。

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