CN114556003A

CN114556003A - 一种密封塞

Info

Publication number: CN114556003A
Application number: CN202080071234.9A
Authority: CN
Inventors: 卡尔·赫塞特
Original assignee: Textron Fastening Systems Ltd
Current assignee: Avdel UK Ltd
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-05-27
Also published as: TW202118949A; EP4018101A1; JP2023500521A; KR20220091574A; US20220213916A1; WO2021089210A1; GB201916187D0; GB2588790B; GB2588790A; TWI750808B; EP4018101B1

Abstract

一种密封塞包括杆(200)和套筒(12)的组合，其中杆设计成具有外渐缩部(50)，使得在通过坐封工具安装密封塞时，套筒材料流入套筒(12)和渐缩部(50)之间的间隙(52)中，以帮助将套筒和杆锁定在一起。此外，工具管口(30)具有锥形渐缩部，该渐缩部设计成使套筒(12)材料在安装时首先径向向外流动，以实现将塞锁定在其所安装的盲孔(34)中。

Description

一种密封塞

技术领域

本发明涉及在盲安装环境中使用的密封塞，并且特别地但不排他地涉及可在液压流体密封和流量控制应用中使用的无螺纹塞。本发明还涉及与这些盲密封塞一起使用的安装工具以及这种塞的应用方法。盲安装意味着仅可以从一侧进入孔，密封塞将要插入该孔中(并且为该孔提供液密密封)。

背景技术

盲密封塞通常基于盲孔内的材料的径向膨胀的原理而操作。塞的径向膨胀阻塞孔，从而防止流体流过密封的塞。通常有两种类型的膨胀致动：推动和拉拔。在每种情况下，使用比在孔内膨胀的材料相对更硬的材料来使相对软的膨胀材料在孔内径向向外地流动。利用推动方法，有时在塞已经被坐封(set)之后将推动器从孔中移除；而对于拉拔方法，拉拔器在坐封之后被捕获在孔内。这通常意味着拉拔器具有形成在其中的某种形式的结构弱部，使得其在限定的载荷下断裂，从而使拉拔器与致动它的部分分离，因此将塞留在孔内。

EP-A-1,440,272中公开了一种已知的拉拔型密封塞的示例。该文献公开了一种形式的密封塞，其由保持在杆周围的套筒构成。该杆具有由比套筒的材料相对更硬的材料形成的头部。头部带有环形突出部，用于在塞坐封在盲孔中时刺入套筒材料中。环形突出部一旦坐封在套筒内，则提供坐封在孔内时在塞的头部和套筒之间的流体密封。

尽管这种类型的密封塞有效地起作用，但是已经发现的是，可以改进其结构以提供一种塞，该塞的用于坐封在盲孔中的特性被更多地控制，使得通过变形套筒实现渐进的孔填充作用，并且在坐封期间套筒没有在孔内轴向移动的倾向，这种情况对于已知的密封塞而言是可能的。这也允许更好地容纳套筒材料，因为在坐封期间套筒材料将被压在孔表面上，并且因此能够抵抗非常高的压力，例如超过1600巴(bar)的油，而密封件不会从孔中弹出。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服了这些缺点的密封塞，并且提供一种在坐封操作期间以及之后都更好地保持在套筒内的杆。

因此，本发明在其一个方面中提供了一种密封塞，其用于盲安装(blindinstallation)在合适的孔内，从而塞住并密封所述孔，所述密封塞包括：

大致圆筒形的中空的套筒，其限定第一轴线并具有给定的外径；

杆，其包括近端圆柱形突出部、远端头部和位于所述近端圆柱形突出部与所述远端头部之间的中央部，所述杆头部的外径大于所述中央部的外径，并且其中所述中央部的外径大于所述杆的近端圆柱形突出部的外径，并且其中所述杆限定第二轴线；

所述杆头部由比所述套筒的材料更硬的材料形成；

所述杆的中央部在所述套筒内时布置成通过所述杆的中央部的外部和所述套筒的内部之间的摩擦接合而保持在所述套筒内，使得所述第一轴线和所述第二轴线同轴；所述密封塞的特征在于，所述杆的中央部的外径沿从所述杆的近端圆柱形突出部到所述杆的远端头部的方向相对于所述杆的所述轴线渐缩，直到达到最小中央部直径处，在该点处所述杆的中央部与所述杆头部相交。

优选地，所述杆头部具有与所述杆的中央部邻近的环形肩部，所述环形肩部相对于所述第二轴线的半径成锐角倾斜。这有助于在塞的坐封期间控制套筒材料的径向流动。

在一个优选实施例中，所述环形肩部的倾斜形成面向所述杆的中央部的凹入区域。这又有助于在密封塞的坐封期间材料的流动。

优选地，所述肩部相对于所述第二轴线的半径的倾角在5°至25°之间，更优选地，在10°至15°之间，更可取的是所述肩部的倾角为14°。

有利地，所述杆头部上形成有面向所述杆的中央部的环形突起部。该环形突起部可以是突出环的形式，其可以被布置成与中空套筒接合。这在杆头部和套筒之间提供了比没有这种环形突起部的情况下更好的流体密封。

在另一方面，本发明提供了一种坐封如上所述和在所附权利要求中限定的密封塞的方法。

本发明的其它特征也在权利要求中被阐述。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的具体实施例，其中：

图1示出了穿过根据本发明的密封塞的杆截取的轴向截面；

图2示出了图1的放大部分A处的详细视图；

图3示出了穿过根据本发明的未坐封的(unset)密封塞截取的截面；

图4示出了图1的杆的等距视图；

图5示出了图1的杆头部在放大部分D处的详细截面；

图6示意性地示出了安装前的完整密封塞；

图7示意性地示出了当开始被引入到坐封工具中时的图6的密封塞；

图8示出了通过坐封工具开始安装密封塞；

图9以截面细节示出了图8的图示；

图10(a)至图10(d)示意性地示出了根据本发明的密封塞的安装的顺序阶段；

图11示出了安装好的密封塞；并且

图12示出了根据本发明的包括环形突出环的替代杆头部。

具体实施方式

首先参考图1和图2，可以看出，根据本发明的杆200包括三个主要区域：近端圆柱形突出部2、中央部4和远端头部端6。杆200可以形成为单个单元，或者由多个元件形成。在该示例中，杆形成为热处理的中碳钢的单个单元。杆的三个区域各自具有不同的外径。头部6的外径大于中央区域4的外径。中央区域4的外径大于近端圆柱形突出部2的外径。这些不同外径的原因将在下面说明。在本发明中杆200的长度无关紧要。夹持杆以放置本发明密封塞的方法也无关紧要。

近端圆柱形突出部2终止于向内渐缩的端部8，使得杆可以更容易地插入到坐封工具(setting tool)中，如将在下面解释的。在该示例中，为了进一步帮助坐封塞，杆沿其轴向范围(axial extent)带有一系列环形槽10。环形槽使得坐封工具在塞的安装期间能够有效地夹持和拉动突出部2。

如图3所示，杆200布置成位于由比杆200的材料更软的材料形成的外套筒12内。在该示例中，套筒12由退火铝合金6061形成。套筒12限定轴线A-A。杆200限定第二轴线B-B(见图2)。

密封塞由套筒12和杆200的结合形成，使得杆200位于套筒12内并且与套筒12同轴。在图3中，为了清楚起见，仅示出了轴线A-A，但是本领域技术人员将理解的是，轴线A-A和轴线B-B两者是同轴的；在该示例中轴线A-A和轴线B-B是重合的。

参照图2，可以看到中央区域4的结构。中央区域包括弱化区14，弱化区14以已知的方式提供了在杆200安装过程中一旦足够的轴向载荷施加到杆上时供杆断裂的位置。本领域技术人员可以容易理解，使杆在弱化区14处断裂的力主要由弱化区14的径向深度决定。

中央区域4的最大外径在16处。此处选择的直径至少与套筒12的内径相同，以便当杆200插入套筒12时，存在过盈配合(interference fit)以将杆在套筒12内保持就位。该过盈配合确保杆200和套筒12同轴，并且在操纵组件时避免相对轴向运动。

渐缩区域15位于中央区域4的弱化区14和最大直径16之间。该渐缩部15有助于将套筒12组装到杆200上。渐缩部15从最大直径16到弱化区域14是径向向内的，渐缩部15目的是提供能够将套筒12组装到杆200上的引导部。这是在塞(杆200和套筒12的组合)形成期间的组装辅助，并且在使用时在密封塞的坐封期间不起作用。

在从杆的近端圆柱形突出部2端向远端头部6端沿轴向B-B移动的情况下(当观察图2时从右到左)，中央区域4的外径在50处径向向内渐缩到最小直径点18。沿中央区域4的这种渐缩的目的也将在下面说明。内肩部21位于最小直径点18和头部6之间。内肩部21在与最小直径位置18的接合处的径向内部处形成为杆头部6的一部分。虽然在该示例中示出了内肩部21，但内肩部是优选的特征并且不一定要使用。如本领域技术人员所理解的，即使没有这种肩部21，本发明也能充分地起作用。

现在还参照图5，可以看出，杆头部6形成有与中央区域4相邻的环形肩部20。在该示例中，肩部20抵靠最小直径点18处的内肩部21。肩部20沿着表面22设置，表面22相对于轴线B-B的半径R-R以锐角α倾斜。角度α选择为在5°至20°的范围内；优选为在10°和15°的范围内。在该示例中，角度为14°。无论角度α如何，选择角度α以确保环形肩部20相对于半径R-R的倾斜形成了面向杆中央部4的凹入区域(concave region)。在该示例中，凹入区域在23处延伸到肩部的外缘。然而，凹入区域不一定要完全从中心轴线B-B径向延伸到杆头部6的圆周周边。该凹入区域可以仅部分地在轴向中心和径向周边之间延伸，甚至在轴向中心和径向周边之间以区段的方式延伸(与单个连续长度相反)。另外，限定该凹入区域的表面20不一定是笔直的。该凹入区域的目的将在下面解释。

在图4中可以看到杆200的等距视图。

现在参考图6至图11，其示出了如何将图1至图5的密封塞坐封在盲孔34内。在所示的示例中，孔34形成在工件36(例如液压阀块)中。

图6的图示示出了由保持在套筒12内的杆200形成的完整的密封塞。如上所述，由于杆中央区域4的外径16和套筒12的内径的选择导致了杆200和套筒12之间的过盈配合，因此杆200被保持在套筒12内。

可以看出，为杆头部6的外径绘制的半径R₆大于为套筒12的外径绘制的半径R₁₂。这样选择是因为，当塞插入待密封的盲孔34中时，套筒12(在该示例中由比杆的钢相对较软的铝材料制成)可能在塞插入孔的过程期间被形成孔的材料损坏。如果形成孔的材料是例如钢，则尤其如此。通过确保R₆大于R₁₂，避免了套筒损坏的风险。在本示例中，如附图标记26所示，R₆和R₁₂之间的差为0.1mm，但可采用任何合适的差。如从图6的左侧可以看到的，为了帮助将杆头部6插入孔(未示出)，头部6的端部可以是倒圆部(rounded)28，或者是倒角部，使得头部6在插入时容易地进入并在孔34内居中。

现在参考图7，其示出了插入到坐封工具600的管口(nosepiece)400中的近端圆柱形突出部2。这种坐封工具600如何操作以便坐封盲密封塞正如本领域技术人员将理解和领会的那样，在此将不进一步描述坐封工具600。可以这样说，工具600的目的是夹持突出部2并随后向突出部2施加轴向力，与此同时保持套筒12以抵抗套筒12的轴向运动，从而发生头部6相对于并朝向套筒12的运动。管口400的前面30是渐缩的，并且在该示例中示出为凸锥形形式(convex conical form)，如将在下面解释的。

图8示出了突出部2经由管口400被完全拉入工具600的位置，使得渐缩面30抵靠套筒12。通常，真空推进机构将突出部2拉入工具并将套筒12保持在面30上。使面30和套筒12之间抵靠的原因是防止套筒12的该端部在塞的坐封期间朝向工具600的轴向运动。管口400的渐缩面30布置为提供朝向套筒12的凸锥形表面。由渐缩部相对于杆200的半径R形成的角度β在10°至20°之间；优选在14°至16°之间。在该示例中，角度为15°。这意味着在面30和套筒12之间形成有渐缩的间隙32，其目的将在下面说明。

现在参考图9，其示出了工具600的前部件38形成为管口400上的环形肩部，并且除了渐缩面30与孔34内的套筒12接合之外，该前部件38还与工件36的表面接合(并接触)。

为了坐封塞，工具600以已知的方式向突出部2施加轴向力(朝向图9的右侧)。

现在参考图10(a)至图10(d)，其示出了该操作的结果。在图10(a)中，由工具施加到杆200的轻微的、开始的轴向力不足以使杆相对于套筒12运动。

一旦工具600施加到杆200上的力足以引起杆和套筒12之间的相对运动，那么因为工具600的管口400的前部件38抵靠并被确实地保持在工件36上，所以防止了工具600和工件36之间的相对运动。因此，允许的唯一运动是杆200在孔34内的运动(朝向图的右侧，如箭头M所示)。

这种杆200的运动的结果是杆头部6被拉动成与套筒12的左侧接合。杆头部6和套筒12之间的初始接触是内肩部21的接触。由于内肩部21由杆头部6的材料(这里是钢)形成，并且由于套筒12的材料比这种材料软(在该示例中，套筒材料是铝)，因此肩部21的突出的外边缘刺入套筒12的端部。这种套筒刺入是密封效果的一部分。这是图10(b)所示的情况。

如图10(c)所示，当由于坐封工具600的轴向拉力而使杆头部6继续运动时，下一个接触发生在杆头部6的环形外缘23和套筒12的径向外部之间。这再次导致杆头部6刺入套筒12，如在附图标记42处所见的。这种刺入也是密封效果的一部分。

伴随着以上在杆头部6和套筒12之间的接触，套筒12的另一侧(图10的右侧)和管口400的渐缩面30之间接触。同样，因为管口400的材料(在该示例中为硬化钢)比套筒12的材料更硬，所以套筒12的右侧发生变形。由于渐缩面30的凸形形状(如通过套筒12所看到的)，套筒的变形在这里导致套筒12的材料流动从其径向内部44(其首先接触渐缩面30)开始，并且该套筒材料流动(其是塑性流动)沿远离轴线B-B的径向向外的方向。这在图10(d)中示出。

应当理解，由杆200的运动引起的套筒材料的第一流动是由管口渐缩部30的形状引起的。换言之，套筒12材料的径向向外塑性流动(在套筒12的右侧)是第一流动。这样的效果是推动套筒12材料径向向外流动以与孔34的内表面接触，从而防止套筒12在孔34内在标记为35的区域处的任何轴向移动。在坐封过程期间套筒在孔34内的任何轴向滑动(这已知在套筒的变形首先从套筒的远端发生的现有技术密封塞坐封操作中发生)将被避免，因为这会损害设置在套筒12和孔34表面的界面处的完成的密封表面的完整性。

杆200朝向坐封工具600的继续运动引起套筒材料的继续流动(该流动已经从套筒12的右侧开始并且从该处朝向左侧进展)。这种孔填充作用是由于当杆头部6从左向右移动时，套筒12从右向左逐渐接触孔34的内表面。由于套筒12在孔34内被挤压在渐缩面30和杆头部6之间，接下来的流动是径向膨胀(径向向外)的流动。由于套筒12的右端不可能轴向运动(由于与坐封工具的管口的正面30接触)，所以随着套筒材料到达并接触位置48处的孔34的内表面，套筒12的材料径向膨胀从而填充孔34。

套筒12的最后径向运动是在与杆头部6接触的左侧。这里的径向运动由于形成在杆中央区域4上的从最大直径到其最小直径18的渐缩部50而朝向轴线B-B径向向内。可以理解的是，由于套筒12的外部已经在区域35和48两区域处与孔34的内部接触，在该阶段套筒材料流进入形成在渐缩部50和套筒12的内部之间的间隙52。这是由于渐缩部50以及杆头部肩部20的角度α二者导致的。这两个特征的组合效果是迫使套筒材料的塑性流动径向向内进入间隙52以及表面22与套筒12的左端之间的凹部。

这里，径向向内运动完成了利用套筒12对孔34的密封，并且通过管口400施加到杆突出部2上的继续的轴向力使得在断颈部14处达到应变极限(本领域技术人员应理解的)，在断颈部14处杆突出部2断裂，从而留下密封在孔34内的坐封的塞，如图11所示。

可以理解的是，可选地添加环形突出部24(在该示例中为形成有尖锐峰轮廓的环形环，如图12所示)可以进一步用于在坐封操作期间使套筒12的材料径向向外移动以密封孔34，以及径向向内移动以密封内肩部21和渐缩部50。另外，环形突出部24可以在杆头部6和套筒12端部(抵靠杆头部6)之间提供延伸的密封表面，以增强流体泄漏阻力。

本领域技术人员应当理解的是，环形突出部24的存在对于本发明的应用是优选的，但不是必需的。可以看出，在肩部20上存在环形突出部24的情况下，其目的与EP-A-1,440,272中公开的目的相同，即，使得环形突出部24在密封塞的坐封过程期间刺入套筒12的材料中，从而在盲孔中在头部6和套筒12之间产生附加的和有效的流体密封。如上所述，由于头部6的材料比套筒12的材料硬，因此环形突出部24可以刺入套筒12的材料中。

在上述示例中的密封塞的坐封期间，应当理解的是，由杆头部6施加到套筒12上的高的轴向力(在该示例中为17.5kN，以密封8mm直径的孔34)导致了，由于高的(径向压力可以在200MPa处达到峰值，并且在断颈部14破裂之后，残余应力为大约100MPa)合成径向应力(resultant radial stresses)，套筒材料在孔34和静态渐缩管口30内形成有效轴向密闭。这些应力用于在孔34和套筒12之间以及在套筒12和杆200的表面(6、50和46)之间提供有效的密封，以便提供防漏塞。

杆头部6在孔34内的紧密配合还用于使套筒12材料在肩部23的外缘周围的逸出最小化。形成在内肩部21上的环形突出部(诸如24)或外缘23用于嵌入套筒12并提供杆头部6抵靠在套筒12上的独立密封特征，从而防止通过安装好的套筒12的孔的泄漏。同样，管口的锥形前面30在孔34内的紧密配合限制了套筒12材料围绕该管口的前面30并朝向坐封工具600的逸出。

断颈部14的断裂产生反冲力，该反冲力用于以本领域技术人员已知的方式将套筒12内的其余的杆200部分向左推动，如图12中的箭头“N”所示。然而，在杆200上的渐缩部50和已经流入间隙52的径向内部压缩的套筒12材料之间形成的紧密接触确保了没有相对轴向运动，该相对轴向运动可能降低在套筒12的外表面和孔34之间形成的密封的有效性。如果杆200的端部随后受到外部物体的意外冲击或故意干涉，则该渐缩部50还用于保持密封的完整性。

虽然在上述示例中，杆200已被示出为沿其轴向范围带有一系列环形槽10，但是本领域技术人员可使用替代方案。例如，杆200的外表面可以形成有螺旋槽。在这种情况下，坐封工具600的管口400也将带有互补的螺旋槽，用于与杆的外螺旋槽旋转接合，从而使工具600能够相对于套筒12移动杆200，以便以已知方式实现塞的安装。实际上，将理解的是，杆可以带有例如阴螺纹，并且坐封工具600带有互补的阳螺纹。然而，可以完全不需要杆的外表面带有任何轮廓。

本领域技术人员将理解，对于本发明来说，断颈部14不是必需的。作为替代的示例，工具600可以在杆200上施加预定的拉力，然后简单地从杆上分离。这可以通过例如与形成在外表面2上的螺旋槽外表面接合的旋拉工具来实现。

特征列表

200 杆

400 管口

600 坐封工具

2 近端圆柱形突出部

4 中央部

6 远端头部

8 杆的渐缩端部

10 杆的环形槽

12 套筒

13 前渐缩区域

14 供杆断裂的弱化区

15 后渐缩区域

16 中央区域4的最大直径

18 中央区域的最小直径

20 环形肩部

21 内肩部

22 肩部20的表面

23 肩部的外缘

24 环形突出部

26 头部和套筒之间的差

28 杆头部的倒圆部

30 管口的前面

32 管口和套筒之间的间隙

34 盲孔

35 第一套筒材料流动的区域

36 形成有孔34的工件

38 管口的前部件

42 头部6刺入套筒12

44 套筒径向内部

46 套筒12的径向内部分

48 孔34和套筒之间的接触点

50 内杆渐缩部

52 套筒12的内部和杆渐缩部50之间的间隙

Claims

1.一种密封塞，其用于盲安装在工件孔(34)内，从而塞住并密封所述工件孔，所述密封塞包括：

大致圆筒形的中空的套筒(12)，其限定第一轴线(A-A)并具有给定的外径；

杆(200)，其包括近端圆柱形突出部(2)、远端头部(6)和位于所述近端圆柱形突出部与所述远端头部之间的中央部(4)，所述杆头部的外径大于所述中央部的外径，并且其中所述中央部的外径大于所述杆的近端圆柱形突出部的外径，并且其中所述杆限定第二轴线(B-B)；

所述杆头部由比所述套筒的材料更硬的材料形成；

所述杆的中央部在所述套筒内时布置成通过所述杆的中央部的外部和所述套筒的内部之间的摩擦接合而保持在所述套筒内，使得所述第一轴线和所述第二轴线同轴；

所述密封塞的特征在于，所述杆的中央部的外径沿从所述杆的近端圆柱形突出部到所述杆的远端头部的方向相对于所述杆的所述轴线渐缩，直到达到最小中央部直径(18)处，在该点处所述杆的中央部与所述杆头部相交。

2.根据权利要求1所述的密封塞，其中，所述杆头部具有与所述杆的中央部邻近的环形肩部(20)，所述环形肩部相对于所述第二轴线的半径成锐角(α)倾斜。

3.根据权利要求2所述的密封塞，其中，所述环形肩部的倾斜形成面向所述杆的中央部的凹入区域。

4.根据权利要求1或2所述的密封塞，其中，所述肩部相对于所述第二轴线的半径的倾角在5°至25°之间。

5.根据权利要求4所述的密封塞，其中，所述肩部的倾角在10°至15°之间。

6.根据权利要求5所述的密封塞，其中，所述肩部的倾角为14°。

7.根据前述权利要求中任一项所述的密封塞，其中，所述杆头部上形成有面向所述杆的中央部的环形突出部(24)。

8.根据权利要求7所述的密封塞，其中，所述环形突出部布置成与中空的所述套筒接合。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的密封塞，当从属于权利要求2时，其中，所述环形肩部包括内肩部(21)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的密封塞，其中，所述杆中央区域(4)形成有轴向渐缩部(15)，所述轴向渐缩部沿从所述远端头部(6)朝向所述近端圆柱形突出部(2)的方向变窄。

11.一种将如前述权利要求中任一项所述的密封塞坐封的方法，所述方法采用具有管口(400)的坐封工具(600)，所述管口具有渐缩端(30)，所述坐封工具能够通过所述渐缩端抓持所述杆的近端圆柱形突出部(2)，所述方法包括；

将所述塞插入盲孔中，使得所述杆的近端圆柱形突出部伸出于所述孔；

使所述坐封工具的管口穿过所述杆的近端圆柱形突出部，并使所述管口抵靠在所述套筒上；

使所述杆的近端圆柱形突出部朝向所述坐封工具移动，从而引起所述杆和所述套筒之间的相对轴向运动；

所述方法的特征在于，所述杆和所述套筒之间的相对运动使得当所述杆头部轴向地运动成与所述套筒接合时，所述套筒的材料在轴向压缩下从与所述坐封工具的所述管口邻近的所述杆的近端开始首先径向向外变形，然后所述套筒的材料沿所述中央杆部渐缩部轴向变形，以沿所述渐缩部朝向所述杆头部径向向内变形。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述管口的所述渐缩部是凸起的，以便促进所述套筒的径向向外膨胀。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述杆中形成有断颈部，所述断颈部适于在坐封所述密封塞时并且在预定轴向力施加到捕获式杆时断裂。