CN113623400A - 基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构 - Google Patents

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Abstract

基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，包括橡胶密封圈和抱紧力调节装置。橡胶密封圈包括橡胶基体、金属骨架、密封唇、防尘唇；抱紧力调节装置包括螺旋调节器、楔形滑块、磁控形状记忆合金块、励磁线圈、合金块安装座、压盖、第一螺钉、第二螺钉。所述抱紧力调节装置通过推动楔形滑块运动、挤压橡胶基体变形来调控密封抱紧力；所述螺旋调节器通过移动磁控形状记忆合金块来推动楔形滑动运动，对密封抱紧力的调整具有断电保护性；所述磁控形状记忆合金块通过在磁场作用下自身变形来推动楔形滑动运动，磁场大小可通过调节外部电源的电压或电流来实现。本发明可实现橡胶密封件抱紧力的实时调控，可有效提高密封可靠性、延长密封服役寿命。

Description

基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构
技术领域
本发明涉及橡胶成型密封结构设计技术领域，具体涉及一种基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，可用作旋转或往复动密封，也可用作静密封。
背景技术
橡胶成型密封是一种典型的自紧型密封，依靠橡胶密封唇口与轴过盈配合产生弹性形变，致使密封界面的接触压力大于被密封介质的压力，从而堵塞泄漏通道以实现密封功能，被广泛应用于航空航天、船舶车辆、石油化工及工程机械等领域的旋转或往复机械设备中。
在长周期服役过程中，密封唇口不可避免地会产生磨损，引起密封与轴之间的过盈量减小，致使密封抱紧力减小，从而引发介质泄漏、造成经济损失甚至诱发安全事故。然而传统橡胶成型密封件由于不具备抱紧力自补偿的功能，一旦磨损将诱发密封失效，因此密封可靠性并不高；此外，在超高/高速、高压、高温等高参数工况和高固、强振动、宽变温等严苛服役环境下，密封件更易发生磨损，且对密封可靠性要求也更高，这就特别需要密封件能够及时补偿唇口磨损，或能够人为调控抱紧力以实现密封趋优运行，从而提高密封件在高参数工况和严苛服役环境下的密封性能和运行可靠性，延长密封件的使用寿命。
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基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，通过调控密封唇与轴之间的抱紧力来实现唇口磨损补偿，使密封件能够适应复杂多变的工况，提高密封件的可靠性，延长密封件的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，包括橡胶密封圈和抱紧力调节装置；
所述橡胶密封圈包括橡胶基体1、金属骨架2、防尘唇4、密封唇5；所述金属骨架2被橡胶基体1包覆部分的截面形状为“L”形，裸露在介质侧的结构上开设有第一螺纹通孔21；所述密封唇5与轴过盈配合，所述防尘唇4位于低介质压力侧；
所述抱紧力调节装置位于高介质压力侧，包括楔形滑块3、磁控形状记忆合金块6、第一螺钉7、合金块安装座8、螺旋调节器9、压盖10、励磁线圈11、第二螺钉12；所述楔形滑块3的内锥面紧贴于橡胶基体1表面，左端面紧贴于磁控形状记忆合金块6的右端面；所述合金块安装座8右端面沿圆周方向均设若干个合金块安装槽82，左端面均设若干个螺纹孔83，外圆柱面上设有外螺纹81；所述合金块安装槽82的槽底均设有若干个与合金块安装座8左端面连通的通孔84；所述压盖10的截面形状为“L”形，左端面沿径向方向依次均设若干个第二螺纹通孔103、第三螺纹通孔105、第四螺纹通孔106，且左端面上开设有与右端面连通的泄压孔101、进线孔102、出线孔104；所述压盖10通过第二螺钉12、第一螺纹通孔21、第四螺纹通孔106实现与金属骨架2的固定连接，通过第一螺钉7、第二螺纹通孔103、螺纹孔83实现与合金块安装座8的固定连接；所述励磁线圈11缠绕在合金块安装座8的外螺纹81上，分别从进线孔102、出线孔104引入、引出导线接口，所述导线接口与外部可控电源连接；所述螺旋调节器9通过第三螺纹通孔105、通孔84依次固定在压盖10和合金块安装座8上，并紧贴于磁控形状记忆合金块6的左端面；
所述励磁线圈11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块6在所述磁场作用下沿合金块安装槽82槽深方向发生变形，以推动所述楔形滑块3挤压橡胶基体1使所述橡胶密封圈的抱紧力发生改变；所述螺旋调节器9通过顺时针或逆时针旋转来改变磁控形状记忆合金块6左端面与合金块安装槽82槽底的间距，以推动所述楔形滑块3挤压橡胶基体1使所述橡胶密封圈的抱紧力发生改变。
进一步的：所述螺旋调节器9可手动旋转驱动或联合电机驱动。
进一步的：所述磁控形状记忆合金块6的形状为长方体、圆柱或扇环柱。
进一步的：所述密封唇5的油侧接触角大于空气侧接触角，油侧接触角范围为40°～60°，空气侧接触角范围为20°～35°。
进一步的：所述磁控形状记忆合金块6、螺旋调节器9、第一螺钉7、第二螺钉12、合金块安装槽82个数为N，N取值为2～24。
本发明的工作原理：
本发明提供的基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，包括橡胶密封圈和抱紧力调节装置。抱紧力调节装置用于调控橡胶密封圈与轴之间的抱紧力，通过推动楔形滑块运动、挤压橡胶基体变形来实现，有采用螺旋调节器结构机械调控(调控手段一)和采用励磁线圈耦合磁控形状记忆合金结构电动调控(调控手段二)两种调控手段。其中，螺旋调节器结构通过顺时针或逆时针旋转以改变磁控形状记忆合金块沿轴向方向的位移来实现抱紧力的调控，具有断电保护性；励磁线圈耦合磁控形状记忆合金结构通过改变磁控形状记忆合金块自身形状来实现抱紧力的调控，具有在线调控实时性。具体工作原理如下：
(1)调控手段一：螺旋调节器工作原理与螺旋测微器类似，顺时针旋转螺旋调节器，其与磁控形状记忆合金块接触面沿轴向低介质压力侧方向移动，磁控形状记忆合金块左端面与合金块安装槽槽底的间距增大，以推动楔形滑块挤压橡胶基体使橡胶密封圈的抱紧力增大，可以补偿橡胶密封圈在长时间服役中产生的磨损；逆时针旋转螺旋调节器，其与磁控形状记忆合金块接触面沿轴向高介质压力侧方向移动，磁控形状记忆合金块左端面与合金块安装槽槽底的间距减小，使楔形滑块挤压橡胶基体产生的抱紧力减小，从而防止密封圈产生过大的摩擦力而导致不必要的磨损。
(2)调控手段二：磁控形状记忆合金是一种新型智能材料，兼具磁性和热弹性马氏体相变，在磁场作用下为马氏体相，励磁线圈在通电后产生磁场，通过调节外部可控电源电压或电流大小来改变磁场强度，增大磁场强度，磁控形状记忆合金块沿合金块安装槽槽深方向(即轴向方向)伸长，以推动楔形滑块挤压橡胶基体使橡胶密封圈的抱紧力增大，可以补偿橡胶密封圈在长时间服役中产生的磨损；减小磁场强度，磁控形状记忆合金块恢复到奥氏体相，沿合金块安装槽槽深方向缩短，使楔形滑块挤压橡胶基体产生的抱紧力减小，从而防止密封圈产生过大的摩擦力而导致不必要的磨损。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于磁控形状记忆合金效应设计了抱紧力调节装置，包含了螺旋调节器机械调控结构和励磁线圈耦合磁控形状记忆合金电动调控结构，两种结构均可实现橡胶密封圈抱紧力的调控，其中前者适用于装配前抱紧力的调节(也可联合电机实现服役期抱紧力的在线调节)，后者适用于服役期抱紧力的在线调节；上述两种调控手段彼此耦合、互为补充，响应速度快且易于控制，在实现抱紧力调控可行性的同时保证了调控手段的可靠性。
本发明通过橡胶密封结构的抱紧力调节装置可实现密封件磨损行为的自补偿，也可实时调控密封抱紧力以实现密封趋优运行，提高了密封件对服役工况的自适应能力，延长了密封服役寿命，适用于超高/高速、高压、高温等高参数工况和高固、强振动、宽变温等严苛服役环境应用场合。
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为本发明中压盖的三维结构示意图。
图4为本发明中合金块安装座的2/3剖面结构三维示意图。
图5为本发明中螺旋调节器的三维结构示意图。
图6为本发明中金属骨架的三维结构示意图。
图中，1-橡胶基体；2-金属骨架；21-第一螺纹通孔；3-楔形滑块；4-密封唇；5-防尘唇；6-磁控形状记忆合金块；7-第一螺钉；8-合金块安装座；81-外螺纹；82-合金块安装槽；83-螺纹孔；84-通孔；9-螺旋调节器；10-压盖；101-泄压孔；102-进线孔；103-第二螺纹通孔；104-出线孔；105-第三螺纹通孔；106-第四螺纹通孔；11-励磁线圈；12-第二螺钉。
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，基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，包括橡胶密封圈和抱紧力调节装置。
所述橡胶密封圈包括橡胶基体1、金属骨架2、防尘唇4、密封唇5。所述金属骨架2被橡胶基体1包覆部分的截面形状为“L”形，裸露在介质侧的结构上开设有第一螺纹通孔21；所述密封唇5与轴过盈配合，所述防尘唇4位于低介质压力侧。所述密封唇5的油侧接触角大于空气侧接触角，油侧接触角范围为40°～60°，空气侧接触角范围为20°～35°。
所述抱紧力调节装置位于高介质压力侧，包括楔形滑块3、磁控形状记忆合金块6、第一螺钉7、合金块安装座8、螺旋调节器9、压盖10、励磁线圈11、第二螺钉12；所述楔形滑块3的内锥面紧贴于橡胶基体1表面，左端面紧贴于磁控形状记忆合金块6的右端面；所述合金块安装座8右端面沿圆周方向均设若干个合金块安装槽82，左端面均设若干个螺纹孔83，外圆柱面上设有外螺纹81；所述合金块安装槽82的槽底均设有若干个与合金块安装座8左端面连通的通孔84；所述压盖10的截面形状为“L”形，左端面沿径向方向依次均设若干个第二螺纹通孔103、第三螺纹通孔105、第四螺纹通孔106，且左端面上开设有与右端面连通的泄压孔101、进线孔102、出线孔104；所述压盖10通过第二螺钉12、第一螺纹通孔21、第四螺纹通孔106实现与金属骨架2的固定连接，通过第一螺钉7、第二螺纹通孔103、螺纹孔83实现与合金块安装座8的固定连接；所述励磁线圈11缠绕在合金块安装座8的外螺纹81上，分别从进线孔102、出线孔104引入、引出导线接口，所述导线接口与外部可控电源连接；所述螺旋调节器9通过第三螺纹通孔105、通孔84依次固定在压盖10和合金块安装座8上，并紧贴于磁控形状记忆合金块6的左端面；
所述励磁线圈11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块6在所述磁场作用下沿合金块安装槽82槽深方向发生变形，以推动所述楔形滑块3挤压橡胶基体1使所述橡胶密封圈的抱紧力发生改变；所述螺旋调节器9通过顺时针或逆时针旋转来改变磁控形状记忆合金块6左端面与合金块安装槽82槽底的间距，以推动所述楔形滑块3挤压橡胶基体1使所述橡胶密封圈的抱紧力发生改变。
所述螺旋调节器9可手动旋转驱动或联合电机驱动。
所述磁控形状记忆合金块6的形状为长方体、圆柱或扇环柱。
所述磁控形状记忆合金块6、螺旋调节器9、第一螺钉7、第二螺钉12、合金块安装槽82个数为N，N取值为2～24。
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 (5)

1.基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，包括橡胶密封圈和抱紧力调节装置；
所述橡胶密封圈包括橡胶基体(1)、金属骨架(2)、防尘唇(4)、密封唇(5)；所述金属骨架(2)被橡胶基体(1)包覆部分的截面形状为“L”形，裸露在介质侧的结构上开设有第一螺纹通孔(21)；所述密封唇(5)与轴过盈配合，所述防尘唇(4)位于低介质压力侧；
所述抱紧力调节装置位于高介质压力侧，包括楔形滑块(3)、磁控形状记忆合金块(6)、第一螺钉(7)、合金块安装座(8)、螺旋调节器(9)、压盖(10)、励磁线圈(11)、第二螺钉(12)；所述楔形滑块(3)的内锥面紧贴于橡胶基体(1)表面，左端面紧贴于磁控形状记忆合金块(6)的右端面；所述合金块安装座(8)右端面沿圆周方向均设若干个合金块安装槽(82)，左端面均设若干个螺纹孔(83)，外圆柱面上设有外螺纹(81)；所述合金块安装槽(82)的槽底均设有若干个与合金块安装座(8)左端面连通的通孔(84)；所述压盖(10)的截面形状为“L”形，左端面沿径向方向依次均设若干个第二螺纹通孔(103)、第三螺纹通孔(105)、第四螺纹通孔(106)，且左端面上开设有与右端面连通的泄压孔(101)、进线孔(102)、出线孔(104)；所述压盖(10)通过第二螺钉(12)、第一螺纹通孔(21)、第四螺纹通孔(106)实现与金属骨架(2)的固定连接，通过第一螺钉(7)、第二螺纹通孔(103)、螺纹孔(83)实现与合金块安装座(8)的固定连接；所述励磁线圈(11)缠绕在合金块安装座(8)的外螺纹(81)上，分别从进线孔(102)、出线孔(104)引入、引出导线接口，所述导线接口与外部可控电源连接；所述螺旋调节器(9)通过第三螺纹通孔(105)、通孔(84)依次固定在压盖(10)和合金块安装座(8)上，并紧贴于磁控形状记忆合金块(6)的左端面；
所述励磁线圈(11)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块(6)在所述磁场作用下沿合金块安装槽(82)槽深方向发生变形，以推动所述楔形滑块(3)挤压橡胶基体(1)使所述橡胶密封圈的抱紧力发生改变；所述螺旋调节器(9)通过顺时针或逆时针旋转来改变磁控形状记忆合金块(6)左端面与合金块安装槽(82)槽底的间距，以推动所述楔形滑块(3)挤压橡胶基体(1)使所述橡胶密封圈的抱紧力发生改变。
2.如权利要求1所述的基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，其特征在于：所述螺旋调节器(9)可手动旋转驱动或联合电机驱动。
3.如权利要求1所述的基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，其特征在于：所述磁控形状记忆合金块(6)的形状为长方体、圆柱或扇环柱。
4.如权利要求1所述的基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，其特征在于：所述密封唇(5)的油侧接触角大于空气侧接触角，油侧接触角范围为40°～60°，空气侧接触角范围为20°～35°。
5.如权利要求1所述的基于磁控形状记忆效应的抱紧力可调橡胶密封结构，其特征在于：所述磁控形状记忆合金块(6)、螺旋调节器(9)、第一螺钉(7)、第二螺钉(12)、合金块安装槽(82)个数为N，N取值为2～24。
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