CN113623398A - 基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封 - Google Patents
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Abstract
基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,包括带压力空腔的密封圈和抱紧力调节装置。密封圈包括橡胶基体、压力空腔、密封唇、第一金属骨架、第二金属骨架;抱紧力调节装置包括活塞安装环座、活塞、磁控形状记忆合金弹簧、环形板、励磁线圈、第一O形圈、第二O形圈、第三O形圈、第一螺钉、第二螺钉、第三螺钉。所述抱紧力调节装置通过改变压力空腔中流体压力来调控密封抱紧力;所述磁控形状记忆合金弹簧通过在磁场作用下发生变形来驱动活塞运动以改变流体压力,通过改变电源电压以调节励磁线圈产生的磁场强度。本发明可通过对密封抱紧力的在线调控以实现密封件趋优运行,从而提高密封件在高参数工况及极端服役环境下的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及橡塑密封结构设计技术领域,具体涉及一种基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,适用于旋转或往复机械的动、静密封装置。
背景技术
橡胶成型密封是一种具有自密封作用的橡塑动密封元件,有良好的跟随性和补偿性,因其结构简单、成本低廉、性能可靠等优点,被广泛应用于轨道交通、石油化工及航空航天等领域的旋转或往复机械设备中,其主要作用是防止润滑油泄漏和阻止外界灰尘进入密封区域。橡胶成型密封通过密封唇与轴之间的过盈配合实现自紧密封,运动时密封界面之间会形成一薄层流体润滑膜,一方面可有效阻隔密封件与旋转/往复轴的直接接触以降摩减磨,另一方面可借助流体泵送实现流体的“零泄漏”。
然而目前传统的橡胶成型密封普遍存在易磨损失效的问题,表现为密封件寿命过短且可靠性不足,不仅造成一定程度的资源浪费,甚至还会酿成严重的安全事故;此外,随着机械制造、航空航天和船舶车辆等众多工业领域的快速发展,这就要求密封件能够适用于高温、高速、高压等高参数工况及变压力、变速、温度冲击等工况多变场合,因此对密封的运行可靠性及可靠服役寿命有着更高的要求。
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基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,通过调控压力空腔内流体压力实现密封磨损行为的自补偿,并通过合理地调控抱紧力以实现密封的趋优运行,提高密封可靠性的同时延长其服役寿命。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,包括带压力空腔的密封圈和抱紧力调节装置;
所述带压力空腔的密封圈包括橡胶基体1、第一金属骨架2、压力空腔7、密封唇8、第二金属骨架12;所述第一金属骨架2的截面形状为“L”形,左端面沿径向方向依次均设若干个第一螺纹孔21和第二螺纹孔22;所述第二金属骨架12未被橡胶基体1包覆的结构上均设第一螺纹通孔122;所述第一金属骨架2、第二金属骨架12分别开设有第一环形凹槽23、第二环形凹槽121;所述密封唇8上方开设有截面形状为矩形的环形压力空腔7;
所述抱紧力调节装置包括第一螺钉3、第二螺钉4、第一O形圈5、活塞安装环座6、活塞9、第二O形圈10、第三O形圈11、第三螺钉13、磁控形状记忆合金弹簧14、环形板15、励磁线圈16;所述第一O形圈5、第三O形圈11分别安装在所述第一环形凹槽23、第二环形凹槽121中;所述活塞安装环座6沿圆周方向均设若干个与压力空腔7连通的活塞安装槽62,且底端内径小于活塞安装面内径,左端面和右端面分别均设若干个第三螺纹孔63和第二螺纹通孔61;所述活塞安装环座6通过第二螺钉4、第二螺纹通孔61、第二螺纹孔22实现与第一金属骨架2的固定连接,通过第三螺钉13、第一螺纹通孔122、第三螺纹孔63实现与第二金属骨架12的固定连接;所述活塞9圆柱面上开设有第三环形凹槽91,并安装有第二O形圈10,上表面开设有直径与磁控形状记忆合金弹簧14外径一致的第一圆柱形凹槽92;所述活塞9安装于活塞安装槽62中;所述环形板15的截面形状为“L”形,右端面均设若干个第三螺纹通孔151,外圆柱面上设有外螺纹152,内圆柱面均设若干个直径与第一圆柱形凹槽92直径一致的第二圆柱形凹槽153;所述环形板15通过第一螺钉3、第三螺纹通孔151、第一螺纹孔21实现与第一金属骨架2的固定连接;所述磁控形状记忆合金弹簧14位于活塞9和环形板15之间,并通过第一圆柱形凹槽91、第二圆柱形凹槽153固定安装;所述励磁线圈16缠绕在环形板15的外螺纹152上,并与外部可控电源连接,在通电后产生磁场,通过调节所述外部可控电源电压或电流大小来改变磁场强度;所述磁控形状记忆合金弹簧14在所述磁场作用下沿径向方向发生变形,并驱动所述活塞9沿径向方向移动,从而改变所述压力空腔7中的流体压力使密封抱紧力发生改变。
进一步的:所述密封唇8的油侧接触角大于空气侧接触角,油侧接触角范围为45°~60°,空气侧接触角范围为20°~40°。
进一步的:所述磁控形状记忆合金弹簧14完全在励磁线圈16的覆盖区域范围内,确保弹簧随磁场强度变化能够有效快速调控。
进一步的:所述磁控形状记忆合金弹簧14可以用磁控形状记忆合金块代替,其形状为长方体、圆柱体、扇环柱之一。
进一步的:所述压力空腔7中的流体介质可以为液体或惰性气体等多种形式。
进一步的:所述第一螺钉3、第二螺钉4、活塞安装槽62、活塞9、第三螺钉13、磁控形状记忆合金弹簧14个数为N,N取值为2~20。
本发明的工作原理:
本发明提供的基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,包括带压力空腔的密封圈和抱紧力调节装置。抱紧力调节装置通过改变压力空腔中流体压力来调控密封抱紧力,磁控形状记忆合金弹簧通过在磁场作用下发生变形来驱动活塞运动以改变流体压力,通过改变外部电源电压或电流以调节励磁线圈产生的磁场强度。具体工作原理如下:
磁控形状记忆合金是一种新型功能材料,具有响应速率快、可精确控制和高可逆应变等特性,在磁场作用下产生马氏体相变,励磁线圈产生的磁场强度可通过调节外部电源的电压或电流改变。增大磁场强度,磁控形状记忆合金弹簧沿径向方向伸长,并驱动活塞沿径向向内移动,以增大压力空腔中的流体压力使橡胶密封圈的抱紧力增大;减小磁场强度,磁控形状记忆合金弹簧恢复到奥氏体相,沿径向方向收缩,并驱动活塞沿径向向外移动,空腔中流体压力随之减小,使橡胶密封圈的抱紧力减小。
本发明具有以下有益效果:
本发明基于磁致伸缩效应设计了抱紧力调节装置,利用励磁线圈耦合磁控形状记忆合金弹簧电动调控,驱动活塞进行压力补偿,可实现抱紧力的在线调控,响应速率块且能够精确控制。由于压力空腔内各处流体压强相等,从而可保证其对密封抱紧力的补偿在周向方向一致,有效避免了因密封接触压力不均而导致的流体泄漏,确保了抱紧力调控的均匀性与可靠性。本发明通过合理调控密封抱紧力可实现密封的趋优运行,提升了密封件对高温、高速、高压等高参数工况及变压力、变速、温度冲击等工况多变场合的自适应能力,延长了密封件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的截面结构二维示意图。
图2为本发明的2/3剖面结构三维示意图。
图3为本发明中橡胶密封圈的2/3剖面结构三维示意图。
图4为本发明中活塞安装环座的三维结构示意图。
图5为本发明中活塞的三维结构示意图。
图6为本发明中环形板的三维结构示意图。
图中,1-橡胶基体;2-第一金属骨架;3-第一螺钉;4-第二螺钉;5-第一O形圈;6-活塞安装环座;7-压力空腔;8-密封唇;9-活塞;10-第二O形圈;11-第三O形圈;12-第二金属骨架;13-第三螺钉;14-磁控形状记忆合金弹簧;15-环形板;16-励磁线圈;21-第一螺纹孔;22-第二螺纹孔;23-第一环形凹槽;61-第二螺纹通孔;62-活塞安装槽;63-第三螺纹孔;91-第三环形凹槽;92-第一圆柱形凹槽;121-第二环形凹槽;122-第一螺纹通孔;151-第三螺纹通孔;152-外螺纹;153-第二圆柱形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
参照图1至图6所示,基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,包括带压力空腔的密封圈和抱紧力调节装置。
所述带压力空腔的密封圈包括橡胶基体1、第一金属骨架2、压力空腔7、密封唇8、第二金属骨架12;所述第一金属骨架2的截面形状为“L”形,左端面沿径向方向依次均设若干个第一螺纹孔21和第二螺纹孔22;所述第二金属骨架12未被橡胶基体1包覆的结构上均设第一螺纹通孔122;所述第一金属骨架2、第二金属骨架12分别开设有第一环形凹槽23、第二环形凹槽121;所述密封唇8上方开设有截面形状为矩形的环形压力空腔7。所述密封唇8的油侧接触角大于空气侧接触角,油侧接触角范围为45°~60°,空气侧接触角范围为20°~40°。所述压力空腔7中的流体介质可以为液体或惰性气体等多种形式。
所述抱紧力调节装置包括第一螺钉3、第二螺钉4、第一O形圈5、活塞安装环座6、活塞9、第二O形圈10、第三O形圈11、第三螺钉13、磁控形状记忆合金弹簧14、环形板15、励磁线圈16;所述第一O形圈5、第三O形圈11分别安装在所述第一环形凹槽23、第二环形凹槽121中;所述活塞安装环座6沿圆周方向均设若干个与压力空腔7连通的活塞安装槽62,且底端内径小于活塞安装面内径,左端面和右端面分别均设若干个第三螺纹孔63和第二螺纹通孔61;所述活塞安装环座6通过第二螺钉4、第二螺纹通孔61、第二螺纹孔22实现与第一金属骨架2的固定连接,通过第三螺钉13、第一螺纹通孔122、第三螺纹孔63实现与第二金属骨架12的固定连接;所述活塞9圆柱面上开设有第三环形凹槽91,并安装有第二O形圈10,上表面开设有直径与磁控形状记忆合金弹簧14外径一致的第一圆柱形凹槽92;所述活塞9安装于活塞安装槽62中;所述环形板15的截面形状为“L”形,右端面均设若干个第三螺纹通孔151,外圆柱面上设有外螺纹152,内圆柱面均设若干个直径与第一圆柱形凹槽92直径一致的第二圆柱形凹槽153;所述环形板15通过第一螺钉3、第三螺纹通孔151、第一螺纹孔21实现与第一金属骨架2的固定连接;所述磁控形状记忆合金弹簧14位于活塞9和环形板15之间,并通过第一圆柱形凹槽91、第二圆柱形凹槽153固定安装;所述励磁线圈16缠绕在环形板15的外螺纹152上,并与外部可控电源连接,在通电后产生磁场,通过调节所述外部可控电源电压或电流大小来改变磁场强度;所述磁控形状记忆合金弹簧14在所述磁场作用下沿径向方向发生变形,并驱动所述活塞9沿径向方向移动,从而改变所述压力空腔7中的流体压力使密封抱紧力发生改变。
所述磁控形状记忆合金弹簧14完全在励磁线圈16的覆盖区域范围内,确保弹簧随磁场强度变化能够有效快速调控。
所述磁控形状记忆合金弹簧14可以用磁控形状记忆合金块代替,其形状为长方体、圆柱体、扇环柱之一。
所述第一螺钉3、第二螺钉4、活塞安装槽62、活塞9、第三螺钉13、磁控形状记忆合金弹簧14个数为N,N取值为2~20。
本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,包括带压力空腔的密封圈和抱紧力调节装置;
所述带压力空腔的密封圈包括橡胶基体(1)、第一金属骨架(2)、压力空腔(7)、密封唇(8)、第二金属骨架(12);所述第一金属骨架(2)的截面形状为“L”形,左端面沿径向方向依次均设若干个第一螺纹孔(21)和第二螺纹孔(22);所述第二金属骨架(12)未被橡胶基体(1)包覆的结构上均设第一螺纹通孔(122);所述第一金属骨架(2)、第二金属骨架(12)分别开设有第一环形凹槽(23)、第二环形凹槽(121);所述密封唇(8)上方开设有截面形状为矩形的环形压力空腔(7);
所述抱紧力调节装置包括第一螺钉(3)、第二螺钉(4)、第一O形圈(5)、活塞安装环座(6)、活塞(9)、第二O形圈(10)、第三O形圈(11)、第三螺钉(13)、磁控形状记忆合金弹簧(14)、环形板(15)、励磁线圈(16);所述第一O形圈(5)、第三O形圈(11)分别安装在所述第一环形凹槽(23)、第二环形凹槽(121)中;所述活塞安装环座(6)沿圆周方向均设若干个与压力空腔(7)连通的活塞安装槽(62),且底端内径小于活塞安装面内径,左端面和右端面分别均设若干个第三螺纹孔(63)和第二螺纹通孔(61);所述活塞安装环座(6)通过第二螺钉(4)、第二螺纹通孔(61)、第二螺纹孔(22)实现与第一金属骨架(2)的固定连接,通过第三螺钉(13)、第一螺纹通孔(122)、第三螺纹孔(63)实现与第二金属骨架(12)的固定连接;所述活塞(9)圆柱面上开设有第三环形凹槽(91),并安装有第二O形圈(10),上表面开设有直径与磁控形状记忆合金弹簧(14)外径一致的第一圆柱形凹槽(92);所述活塞(9)安装于活塞安装槽(62)中;所述环形板(15)的截面形状为“L”形,右端面均设若干个第三螺纹通孔(151),外圆柱面上设有外螺纹(152),内圆柱面均设若干个直径与第一圆柱形凹槽(92)直径一致的第二圆柱形凹槽(153);所述环形板(15)通过第一螺钉(3)、第三螺纹通孔(151)、第一螺纹孔(21)实现与第一金属骨架(2)的固定连接;所述磁控形状记忆合金弹簧(14)位于活塞(9)和环形板(15)之间,并通过第一圆柱形凹槽(91)、第二圆柱形凹槽(153)固定安装;所述励磁线圈(16)缠绕在环形板(15)的外螺纹(152)上,并与外部可控电源连接,在通电后产生磁场,通过调节所述外部可控电源电压或电流大小来改变磁场强度;所述磁控形状记忆合金弹簧(14)在所述磁场作用下沿径向方向发生变形,并驱动所述活塞(9)沿径向方向移动,从而改变所述压力空腔(7)中的流体压力使密封抱紧力发生改变。
2.如权利要求1所述的基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,其特征在于:所述密封唇(8)的油侧接触角大于空气侧接触角,油侧接触角范围为45°~60°,空气侧接触角范围为20°~40°。
3.如权利要求1所述的基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,其特征在于:所述磁控形状记忆合金弹簧(14)完全在励磁线圈(16)的覆盖区域范围内,确保弹簧随磁场强度变化能够有效快速调控。
4.如权利要求1所述的基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,其特征在于:所述磁控形状记忆合金弹簧(14)可以用磁控形状记忆合金块代替,其形状为长方体、圆柱体、扇环柱之一。
5.如权利要求1所述的基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,其特征在于:所述压力空腔(7)中的流体介质可以为液体或惰性气体等多种形式。
6.如权利要求5所述的基于磁致伸缩驱动活塞机构的压力补偿型可控橡胶密封,其特征在于:所述第一螺钉(3)、第二螺钉(4)、活塞安装槽(62)、活塞(9)、第三螺钉(13)、磁控形状记忆合金弹簧(14)个数为N,N取值为2~20。
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CN116960405A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-10-27 | 爱德曼氢能源装备有限公司 | 氢燃料电池系统集成型中冷器 |
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