CN114962054B - 一种水下发动机用活塞总成及动密封组件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于特种发动机密封装置技术领域，特别涉及一种动密封组件。本发明提供一种动密封组件，所述第一副密封圈和所述第二副密封圈的密封唇、所述第一主密封圈的U型动密封环和所述第二主密封圈的动密封环的材质独立地为填充型聚四氟乙烯复合材料；所述填充型聚四氟乙烯复合材料包括以下质量份数的组分：聚四氟乙烯60～95份，高分子有机填料1～20份，碳纤维2～15份，纳米氧化锆0.1～5份；所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮。本发明提供的动密封组件采用填充型聚四氟乙烯复合材料作为密封组件的密封材料具有良好的抗腐蚀性和尺寸稳定性，在HAP燃料中浸泡1年以上，其体积膨胀率小于2％，表面无腐蚀导致的裂纹或反应生成物。

Description

一种水下发动机用活塞总成及动密封组件
技术领域
本发明涉及特种发动机及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种水下发动机用活塞总成及动密封组件。
背景技术
水下特种发动机是提高水下航行体运行速度的重要推力系统之一。作为动力系统输送与供应燃料的核心装置，燃料供应装置在长期静置条件下的密封性和供应输送时的低摩擦、低阻尼特性，是保障燃料存储与可靠输送的关键技术。燃料供应装置主要包括：薄壁舱体、导管、活塞、密封件以及压力与流量测量元件。其中，密封件是有效保证燃料密封与运行可靠性的重要单元。
水下特种发动机采用特种液体氧化剂作为反应性燃料，可以克服传统燃料系统面临贫氧、燃烧不充分以及能量和比冲较低等缺点，是未来高性能水下推进系统的发展趋势。作为液体燃料的高氯酸羟胺(HAP)具有较强的化学腐蚀性和易燃性，对传统的丁腈橡胶和氟橡胶等密封材料具有化学腐蚀作用，无法保证燃料在长期静置过程的储存安全性。此外，长期浸泡在HAP液体中的密封材料，腐蚀会严重影响输送过程中密封件的低摩擦和低阻尼性能，甚至导致密封失效，导致燃料供应不稳定以及泄露发生，影响增压系统和燃烧系统的稳定工作，从而使得发动机的功率效能产生波动，严重影响了推进系统的运行可靠性和安全性。
中国专利CN109654226B涉及了一种带有激发器的密封组件，密封组件包括压缩环和密封元件，放置在第一部件凹槽内。所述密封元件由压缩环激发，将压缩环与侧壁和第二部件进行分离，密封元件具有底部部分和后部部分，底部部分用于接触第二部件的密封顶端，后部部分用于接触凹槽侧壁，可以对高液压力起到良好的密封效果。可是专利中并未涉及相关密封材料，并且其结构型式无法满足低压差特种燃料的有效密封。
中国专利CN114033576A涉及了一种低温、振动高压环境下的多层次串联式密封系统，包括锁紧螺母、第一泛塞、第二泛塞、填料压套、填料和填料垫。该密封系统虽可以解决低温高压系统的密封可靠性，可是对于HAP强腐蚀性燃料的储存并不能获得良好效果，单纯采用泛塞密封的组合不能使得低压差长期静置储存过程中燃料的可靠密封，杆件与壁筒间设置的O型圈会显著增加燃料舱密封件的阻尼力，低压差工况下可能会导致燃料供应时出现卡滞。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下发动机用活塞总成及动密封组件，本发明提供的动密封组件不仅在静置存储过程中可以密封低压差的空气和燃料，而且可以密封输送过程中低压差的水和燃料，具有长期静置无泄漏和燃料供应状态下具有低摩擦和低阻尼特点，可以提高燃料舱的存储可靠性与燃料供应稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种动密封组件，包括：
第一密封单元，所述第一密封单元包括第一主密封圈和至少两个第一副密封圈，所述第一副密封圈分别设置于所述第一主密封圈的上下两端，所述第一副密封圈以及所述第一主密封圈均能够套装于活塞的外壁上；
第二密封单元，所述第二密封单元包括第二主密封圈和至少两个第二副密封圈，所述第二副密封圈分别设置于所述第二主密封圈的上下两端，所述第二副密封圈以及所述第二主密封圈均能够设置于所述活塞的内孔中；
所述第一副密封圈与所述第二副密封圈结构相同，所述第一副密封圈与所述第二副密封圈均包括密封唇和弹簧片，所述弹簧片与所述密封唇相连，所述弹簧片能够撑开所述密封唇；
所述第一主密封圈包括U型动密封环、O型密封圈和星型密封圈，所述U型动密封环的开口朝向远离所述活塞的轴线的一侧，所述星型密封圈设置于所述U型动密封环的凹槽内，所述O型密封圈位于所述U型动密封环与所述活塞之间；
所述第二主密封圈包括T型橡胶圈和两个动密封环，两个所述动密封环设置于所述T型橡胶圈的两侧，所述T型橡胶圈以及所述动密封环均能够设置于所述活塞的内孔中；
所述密封唇、所述U型动密封环和所述动密封环的材质独立地为填充型聚四氟乙烯复合材料；
所述填充型聚四氟乙烯复合材料包括以下质量份数的组分：聚四氟乙烯60～95份，高分子有机填料1～20份，碳纤维2～15份，纳米氧化锆0.1～5份；所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮。
优选地，两个所述第一副密封圈以所述第一主密封圈的中线为轴线对称设置，两个所述第二副密封圈以所述第二主密封圈的中线为轴线对称设置。
优选地，所述的动密封组件还包括辅助密封单元，所述辅助密封单元包括导向环和两个分体挡圈，两个分体挡圈分别设置于所述导向环的上下两端，所述导向环和所述分体挡圈均能够设置于所述活塞的内孔中；
所述辅助密封单元的数量为两组，两组所述辅助密封单元分别设置于所述第二密封单元的上下两端。
优选地，所述密封唇、所述U型动密封环或所述动密封环的制备方法包括以下步骤：
将聚四氟乙烯、高分子有机填料、碳纤维和纳米氧化锆混合，得到聚四氟乙烯基混合料；
将所述聚四氟乙烯基混合料压制成型，得到聚四氟乙烯基成型件；
将所述聚四氟乙烯基成型件热处理，得到聚四氟乙烯基热处理件；
将所述聚四氟乙烯基热处理件进行机械加工，得到所述密封唇、所述U型动密封环或所述动密封环。
优选地，所述聚四氟乙烯的平均粒径为40～80μm；所述聚四氟乙烯的表观密度为0.6～0.7g/cm3；
所述聚苯酯的平均粒径为60～75μm，表观密度为0.60～0.70g/cm3；所述聚醚醚酮的平均粒径为50μm，表观密度为0.25～0.35g/cm3；
所述碳纤维的直径为13μm，所述碳纤维的长径比为9:1；
所述纳米氧化锆的平均粒径为20～40nm，所述纳米氧化锆的比表面积＞80m2/g，所述纳米氧化锆的表观密度＞2.4g/cm3。
优选地，所述热处理包括升温烧结阶段，所述升温烧结阶段包括：由室温按照第一升温速率升温至第一温度进行第一保温烧结，由第一温度按照第二升温速率升温至第二温度进行第二保温烧结；所述第一温度为290～310℃，所述第一保温烧结的保温时间为60～90min，所述第一升温速率为1～3℃/min，所述第二温度为370～380℃，所述第二保温烧结的保温时间为2～6h，所述第二升温速率为0.5～1℃/min。
优选地，所述第二保温烧结得到聚四氟乙烯基烧结件，所述热处理还包括将所述聚四氟乙烯基烧结件降温冷却，所述降温冷却包括：由第二温度按照第一降温速率降温至第三温度进行第三保温，由所述第三温度随炉冷却至室温；所述第三温度为250～270℃，所述第三保温的时间为0.5～1h，所述第一降温速率为0.5～1℃/min。
优选地，所述压制成型的保压压力为30～50MPa，所述压制成型的保压时间为10～15min，由常压升压至所述压制成型的保压压力的升压速率优选为6～10MPa/min。
本发明还提供一种水下发动机用活塞总成，包含上述的动密封组件，还包括活塞，所述活塞的外壁上设置有第一主沟槽和第一副沟槽，所述第一主密封圈设置于所述第一主沟槽内，所述第一副密封圈设置于所述第一副沟槽内，所述活塞的内孔壁上设置有第二主沟槽和第二副沟槽，所述第二主密封圈设置于所述第二主沟槽内，所述第二副密封圈设置于所述第二副沟槽内，所述第一密封单元能够与发动机的燃料舱相抵，所述第二密封单元能够与发动机的导管相抵。
本发明的水下发动机用活塞总成，用于水下发动机时，所述第一副密封圈与所述燃料舱线接触，所述第二副密封圈与所述导管线接触。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
动密封组件，包括多级串联的第一主密封圈、第一副密封圈、第二主密封圈和第二副密封圈；所述第一副密封圈和所述第二副密封圈包括密封唇和弹簧片；所述第一主密封圈包括U型动密封环、O型密封圈和星型密封圈；所述第二主密封圈包括T型橡胶圈和2个动密封环；所述密封唇、所述第一主密封圈的U型动密封环和所述第二主密封圈的动密封环的材质独立地为填充型聚四氟乙烯复合材料；所述填充型聚四氟乙烯复合材料包括以下质量份数的组分：聚四氟乙烯60～95份，高分子有机填料1～20份，碳纤维2～15份，纳米氧化锆0.1～5份；所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮。本发明提供的动密封组件采用填充型聚四氟乙烯复合材料作为密封组件的密封材料，所述填充型聚四氟乙烯复合材料通过上述各组分之间具有良好的协同效应，能够显著提高聚四氟乙烯复合材料的耐磨性能。其中，高分子有机填料的添加不但可以提高PTFE的耐磨性，聚苯酯或聚醚醚酮也可以抑制PTFE的带状磨屑，使得摩擦产生的磨屑呈现细小的碎片状，有利于磨屑在摩擦对偶表面的附着；碳纤维的添加不但可以提高PTFE的耐磨性，而且具有长径比的纤维结构可以显著提高PTFE的承载能力，从而降低载荷作用下PTFE的塑性变形，达到提高抗蠕变的效果；纳米氧化锆不但可以提高PTFE的抗压强度，而且与碳纤维具有良好的协同作用，可以促进摩擦界面上形成致密均匀的摩擦转移膜。本发明提供的密封材料具有良好的抗腐蚀性和尺寸稳定性，在HAP燃料中浸泡1年以上，其体积膨胀率小于2％，表面无腐蚀导致的裂纹或反应生成物。由实施例的结果表明，本发明提供的填充型聚四氟乙烯复合材料，其机械性能如下：邵氏硬度60±5D，抗拉强度16～20MPa，断裂伸长率200～250％，摩擦系数0.15～0.20，体积磨损率4.0×10-6～6.0×10-6mm3/Nm。
进一步的，所述第一主密封圈的O型密封圈和星型密封圈以及所述第二主密封圈的T型橡胶圈的材质为三元乙丙橡胶。本发明以三元乙丙橡胶作为第一主密封圈的O型密封圈和星型密封圈以及所述第二主密封圈的T型橡胶圈的材质，三元乙丙橡胶的邵氏硬度为75±5A，抗拉强度为15～25MPa，断裂伸长率为200～250％，脆性温度-50～-60℃，能够与填充型聚四氟乙烯复合材料协同，进一步提高所述动密封组件的密封性能，使其在HAP燃料舱具有良好静密封和低摩擦动密封性能，不仅在静置存储过程中可以密封低压差的空气和燃料，而且可以密封输送过程中低压差的水与燃料，具有长期静置无泄漏和燃料供应状态下具有低摩擦和低阻尼特点，可以提高燃料舱的存储可靠性与燃料供应稳定性。
本发明的动密封组件，第一密封单元和第二密封单元均采用多级密封元件串联结构，多级密封串联设置能够有效提高动密封性能，降低摩擦力。更进一步地，本发明还提供一种包含动密封组件的水下发动机用活塞总成，各级密封元件的安装槽均独立设置，密封元件与水下发动机其他部件相接触，进一步降低摩擦力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的动密封组件的剖切结构示意图；
图2为图1中A处的放大结构示意图；
图3为图1中B处的放大结构示意图；
图4为本发明的动密封组件的第一副密封圈或第二副密封圈的结构示意图；
图5为本发明的动密封组件的第一主密封圈的结构示意图；
图6为本发明的动密封组件的第二主密封圈的结构示意图。
其中，100为第一密封单元，200为第二密封单元，300为辅助密封单元；
1为第一主密封圈，101为U型动密封环，102为O型密封圈，103为星型密封圈，2为第一副密封圈，3为第二主密封圈，301为T型橡胶圈，302为动密封环，4为第二副密封圈，5为密封唇，6为弹簧片，7为导向环，8为分体挡圈，9为第一主沟槽，10为第一副沟槽，11为第二主沟槽，12为第二副沟槽，13为燃料舱，14为导管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水下发动机用活塞总成及动密封组件，本发明提供的动密封组件不仅在静置存储过程中可以密封低压差的空气和燃料，而且可以密封输送过程中低压差的水和燃料，具有长期静置无泄漏和燃料供应状态下具有低摩擦和低阻尼特点，可以提高燃料舱的存储可靠性与燃料供应稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-6，其中，图1为本发明动密封组件的剖切结构示意图，图2为图1中A处的放大结构示意图，图3为图1中B处的放大结构示意图，图4为本发明的动密封组件的第一副密封圈或第二副密封圈的结构示意图，图5为本发明动密封组件的第一主密封圈结构示意图，图6为本发明的动密封组件的第二主密封圈结构示意图。
本发明提供了一种动密封组件，包括：
第一密封单元100，第一密封单元100包括第一主密封圈1和至少两个第一副密封圈2，第一副密封圈2分别设置于第一主密封圈1的上下两端，第一副密封圈2以及第一主密封圈1均能够套装于活塞的外壁上；
第二密封单元200，第二密封单元200包括第二主密封圈3和至少两个第二副密封圈4，第二副密封圈4分别设置于第二主密封圈3的上下两端，第二副密封圈4以及第二主密封圈3均能够设置于活塞的内孔中；
第一副密封圈2与第二副密封圈4结构相同，第一副密封圈2与第二副密封圈4均包括密封唇5和弹簧片6，弹簧片6与密封唇5相连，弹簧片6能够撑开密封唇5；
第一主密封圈1包括U型动密封环101、O型密封圈102和星型密封圈103，U型动密封环101的开口朝向远离活塞的轴线的一侧，星型密封圈103设置于U型动密封环101的凹槽内，O型密封圈102位于U型动密封环101与活塞之间；
第二主密封圈3包括T型橡胶圈301和两个动密封环302，两个动密封环302设置于T型橡胶圈301的两侧，T型橡胶圈301以及动密封环302均能够设置于活塞的内孔中；
本发明的动密封组件，第一密封单元100和第二密封单元200均采用多级密封元件串联的结构，多级密封串联设置能够有效提高动密封性能，降低摩擦力。
密封唇5、U型动密封环101和动密封环302的材质独立地为填充型聚四氟乙烯复合材料；
所述填充型聚四氟乙烯复合材料包括以下质量份数的组分：聚四氟乙烯60～95份，高分子有机填料1～20份，碳纤维2～15份，纳米氧化锆0.1～5份；所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
以质量份数计，本发明提供的填充型聚四氟乙烯复合材料包括60～95份的聚四氟乙烯(PTFE)，具体优选为60份、70份或95份。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的本发明提供的填充型聚四氟乙烯复合材料包括1～20份的高分子有机填料，具体优选为1份、10份或20份。
在本发明中，所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮，进一步优选包括聚苯酯或聚醚醚酮。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，在本发明中的具体实施例中，所述高分子有机填料具体优选为聚苯酯时，所述聚苯酯的质量份数优选为1份或20份。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，在本发明中的具体实施例中，所述高分子有机填料具体优选为聚醚醚酮时，所述聚苯酯的质量份数优选为10份。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的本发明提供的填充型聚四氟乙烯复合材料包括2～15份的碳纤维，具体优选为2份、15份或8份。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的本发明提供的填充型聚四氟乙烯复合材料包括0.1～5份的纳米氧化锆，具体优选为0.1份、2份或5份。
在本发明中，密封唇5、U型动密封环101或动密封环302的制备方法优选包括以下步骤：
将聚四氟乙烯、高分子有机填料、碳纤维和纳米氧化锆混合，得到聚四氟乙烯基混合料；
将所述聚四氟乙烯基混合料压制成型，得到聚四氟乙烯基成型件；
将所述聚四氟乙烯基成型件热处理，得到聚四氟乙烯基热处理件；
将所述聚四氟乙烯基热处理件进行机械加工，得到密封唇5、U型动密封环101或动密封环302。
本发明将聚四氟乙烯、高分子有机填料、碳纤维和纳米氧化锆混合，得到聚四氟乙烯基混合料。
在本发明中，所述聚四氟乙烯的平均粒径优选为40～80μm，更优选为45～75μm。
在本发明中，所述聚四氟乙烯的表观密度优选为0.6～0.7g/cm3，更优选为0.62～0.65g/cm3。
在本发明中，所述聚四氟乙烯具体优选为悬浮型PTFE。
在本发明中，所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮。
在本发明中，所述聚苯酯的平均粒径优选为60～75μm，更优选为65～70μm。
在本发明中，所述聚苯酯的表观密度优选为0.60～0.70g/cm3，更优选为0.62～0.66g/cm3。
在本发明中，所述聚醚醚酮的平均粒径优选为50μm。
在本发明中，所述聚醚醚酮的表观密度优选为0.25～0.35g/cm3，更优选为0.3～0.32g/cm3。
在本发明中，所述碳纤维的直径优选为13μm。
在本发明中，所述碳纤维的长度120μm。
在本发明中，所述碳纤维的长径比优选为9:1。
在本发明中，所述纳米氧化锆的形态优选为近球形结构。
在本发明中，所述纳米氧化锆的平均粒径优选为20～40nm，更优选为25～35nm。
在本发明中，所述纳米氧化锆的比表面积优选＞80m2/g，更优选为82～90m2/g。
在本发明中，所述纳米氧化锆的表观密度优选＞2.4g/cm3，更优选为2.5～3g/cm3。
在本发明中，所述混合优选在低温气流混合设备进行。
在本发明中，所述混合的温度优选为-20～0℃，更优选为-15～-5℃。
在本发明中，所述混合的保温时间优选为10～30min，优选为15～25min。
在本发明中，所述混合后得到初始混合料，本发明优选对所述初始混合料进行筛分，得到所述聚四氟乙烯基混合料。在本发明中，所述筛分优选采用振荡筛进行，所述振荡筛的筛孔优选为40目。本发明优选通过筛分确保所述聚四氟乙烯基混合料分散均匀且表面无团聚。
得到聚四氟乙烯基混合料后，本发明将所述聚四氟乙烯基混合料压制成型，得到聚四氟乙烯基成型件。
在本发明中，所述压制成型之前，本发明优选将所述聚四氟乙烯基混合料装入模具中。
在本发明中，所述模具具体优选为金属模具。
在本发明中，所述模具优选为管材模具。
在本发明中，所述压制成型的保压压力优选为30～50MPa，更优选为30MPa。
在本发明中，所述压制成型的保压时间优选为10～15min，更优选为10min。
在本发明中，由常压升压至所述压制成型的保压压力的升压速率优选为6～10MPa/min，更优选为7～8MPa/min。
在本发明中，所述聚四氟乙烯基成型件优选为管材。
在本发明中，所述聚四氟乙烯基成型件的壁厚≥6mm，优选为6～10mm。
在本发明中，所述聚四氟乙烯基成型件的高度≤100mm，优选为60～100mm。
得到聚四氟乙烯基成型件后，本发明将所述聚四氟乙烯基成型件热处理，得到聚四氟乙烯基热处理件。
在本发明中，所述热处理优选包括升温烧结阶段。
在本发明中，所述升温烧结阶段优选包括：由室温按照第一升温速率升温至第一温度进行第一保温烧结，由第一温度按照第二升温速率升温至第二温度进行第二保温烧结。
在本发明中，所述第一温度为290～310℃，更优选为300℃。
在本发明中，所述第一保温烧结的保温时间为60～90min，更优选为65～85min。
在本发明中，所述第一升温速率优选为1～3℃/min，更优选为1.5～2℃/min。
在本发明中，所述第二温度优选为370～380℃，更优选为375℃。
在本发明中，所述第二保温烧结的保温时间优选为2～6h，更优选为2.5～5h。
在本发明中，所述第二升温速率优选为0.5～1℃/min，更优选为0.6～0.8℃/min。
在本发明中，所述第二保温烧结得到聚四氟乙烯基烧结件。
在本发明中，所述热处理优选还包括将所述聚四氟乙烯基烧结件降温冷却。
在本本发明中，所述降温冷却优选包括：由第二温度按照第一降温速率降温至第三温度进行第三保温，由所述第三温度随炉冷却至室温。
在本发明中，所述第三温度优选为250～270℃，更优选为260℃。
在本发明中，所述第三保温的时间优选为0.5～1h，更优选为0.6～0.8h。
在本发明中，所述第一降温速率优选为0.5～1℃/min，更优选为0.6～0.8℃/min。
在本发明中，所述热处理优选在烧结炉中进行。
得到聚四氟乙烯基热处理件后，本发明将所述聚四氟乙烯基热处理件进行机械加工，得到密封唇5、U型动密封环101或动密封环302。
在本发明中，所述机械加工优选按照设计图纸进行车削加工，保证形位公差符合设计要求。
在本发明中，O型密封圈102和星型密封圈103以及T型橡胶圈301的材质优选为三元乙丙橡胶。
在本发明中，所述三元乙丙橡胶的邵氏硬度为75±5A，抗拉强度为15～25MPa，断裂伸长率为200～250％，脆性温度为-50～-60℃。
在本具体实施方式中，两个第一副密封圈2以第一主密封圈1的中线为轴线对称设置，两个第二副密封圈4以第二主密封圈3的中线为轴线对称设置，提高第一密封单元100的受力均匀性，在本发明的其他具体实施方式中，还可以根据实际密封需要设置第一副密封圈2以及第二副密封圈4的数量和排布方式。
另外，动密封组件还包括辅助密封单元300，辅助密封单元300包括导向环7和两个分体挡圈8，两个分体挡圈8分别设置于导向环7的上下两端，导向环7和分体挡圈8均能够设置于活塞的内孔中；辅助密封单元300的数量为两组，两组辅助密封单元300分别设置于第二密封单元200的上下两端。设置导向环7和分体挡圈8，为第二密封单元200的安装定位提供了便利，保证了第二密封单元200的工作稳定性。
除此之外，本发明还提供一种水下发动机用活塞总成，包含上述的动密封组件，还包括活塞，活塞的外壁上设置有第一主沟槽9和第一副沟槽10，第一主密封圈1设置于第一主沟槽9内，第一副密封圈2设置于第一副沟槽10内，活塞的内孔壁上设置有第二主沟槽11和第二副沟槽12，第二主密封圈3设置于第二主沟槽11内，第二副密封圈4设置于第二副沟槽12内，第一密封单元100能够与发动机的燃料舱13相抵，第二密封单元200能够与发动机的导管14相抵，各级密封元件的安装槽均独立设置，提高多级串联密封元件的可靠性。
上述的活塞总成应用于水下发动机时，第一副密封圈2与燃料舱13线接触，第二副密封圈4与导管14线接触，密封元件与水下发动机其他部件线接触，进一步降低摩擦力。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的上述技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
图1示出了本发明涉及的适用于低压差的动密封组件装配在燃料舱活塞导管系统中的示意图，如图2所示为活塞外壁密封组件绕回转中心轴的截面局部放大示意图，示出了活塞外壁密封组件的串联结构布置，其中：9和10分别为第一主沟槽和第一副沟槽，在第一主沟槽9中安装第一主密封圈1，依次放置O型密封圈102、U型动密封环101和星型密封圈103；在两个第一副沟槽10处分别安装第一副密封圈2，第一副密封圈2开口向外，密封唇5与燃料舱13的舱体内壁面为线接触，接触面积小，且密封唇5材料自润滑特性好，因此摩擦力小，活塞轴向运动阻尼低，同时两个第一副密封圈2将中间的第一主密封圈1封闭在内，形成一道屏蔽，避免了强腐蚀性燃料对第一主密封圈1中星型密封圈103和O型密封圈102橡胶材料的腐蚀破坏，保证了燃料舱13长期储存工况下的密封性和安全性。
如图3所示为活塞内孔壁密封组件绕回转中心轴的截面局部放大示意图，示出了活塞内孔壁密封组件的串联结构布置，其中：11为第二主沟槽、12为第二副沟槽。在第二主沟槽11中安装第二主密封圈3，两个动密封环302位于T型橡胶圈301的肩上，分跨两侧，在两个第二副沟槽12中分别安装第二副密封圈4，然后从内向外依次安装第一道分体挡圈8，导向环7和第二道分体挡圈8，第二副密封圈4的密封唇5与导管14外壁面为线接触，接触面积小，且密封唇5材料自润滑特性好，因此摩擦力小，活塞轴向运动阻尼低，同时第二副密封圈4将第二主密封圈3封闭在内，形成一道屏蔽，避免了强腐蚀性燃料对第二主密封圈3中T型橡胶圈301材料的腐蚀破坏，保证了燃料舱13长期储存工况下的密封性和安全性。
如图4所示，第一副密封圈2和第二副密封圈4均由密封唇5和V型弹簧片6装配而成。
如图5所示，第一主密封圈1由星型密封圈103、U型动密封环101和O型密封圈102装配而成。
如图6所示，第二主密封圈3由T型橡胶圈301和动密封环302、动密封环302装配而成。
密封唇5、U型动密封环101、第一主密封圈3的两个动密封环302均为聚四氟乙烯复合材料，具体材料组分和制备方法如下：
分别称量悬浮型PTFE、聚苯酯、碳纤维和纳米氧化锆粉末，具体材料组分比例为：PTFE 95％，聚苯酯1％，碳纤维2％，纳米氧化锆0.1％；其中，PTFE粒径为50μm，表观密度为0.6～0.7g/cm3，聚苯酯的平均粒径为65μm，聚苯酯的表观密度为0.60～0.70g/cm3，述碳纤维的直径为13μm，长径比为9:1，纳米氧化锆的平均粒径为30nm，纳米氧化锆的比表面积＞80m2/g，纳米氧化锆的表观密度优选＞2.4g/cm3。
制备方法：利用高速混合机进行物料机械混合15min。取出物料后，利用-40目振动筛网对物料进行筛分。将筛分后的粉体置入金属管件模具中，以7MPa/min的加压速率将压力逐渐升高至30MPa，持续保压10分钟，脱模后取出管材毛胚件。将管材毛胚件置入烧结炉，按照3℃/分钟升温速率，从室温逐步升至300℃，保温60分钟，以1℃/分钟的速率升温至375℃，保温4小时。然后按照0.5℃/分钟的冷却速率，降温至260℃，保温1小时后，关闭烧结炉，随炉冷却至室温。按照设计的图纸进行车削加工，保证形位公差要求。
实施例2
密封组合件的串联结构布置和装配方法、聚四氟乙烯复合材料制备方法同实施例1，不再重复叙述。
与实施例1的不同之处在于：聚四氟乙烯复合材料组分如下：PTFE 60％，聚苯酯20％，碳纤维15％，纳米氧化锆5％。
实施例3
密封组合件的串联结构布置和装配方法、聚四氟乙烯复合材料制备方法同实施例1，不再重复叙述。
与实施例1的不同之处在于：聚四氟乙烯复合材料组分如下：PTFE70％，聚醚醚酮10％，碳纤维8％，纳米氧化锆2％，其中，聚醚醚酮的平均粒径为50μm，聚醚醚酮的表观密度为0.25～0.35g/cm3。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种动密封组件，其特征在于，包括：
第一密封单元，所述第一密封单元包括第一主密封圈和至少两个第一副密封圈，所述第一副密封圈分别设置于所述第一主密封圈的上下两端，所述第一副密封圈以及所述第一主密封圈均能够套装于活塞的外壁上；
第二密封单元，所述第二密封单元包括第二主密封圈和至少两个第二副密封圈，所述第二副密封圈分别设置于所述第二主密封圈的上下两端，所述第二副密封圈以及所述第二主密封圈均能够设置于所述活塞的内孔中；
所述第一副密封圈与所述第二副密封圈结构相同，所述第一副密封圈与所述第二副密封圈均包括密封唇和弹簧片，所述弹簧片与所述密封唇相连，所述弹簧片能够撑开所述密封唇；
所述第一主密封圈包括U型动密封环、O型密封圈和星型密封圈，所述U型动密封环的开口朝向远离所述活塞的轴线的一侧，所述星型密封圈设置于所述U型动密封环的凹槽内，所述O型密封圈位于所述U型动密封环与所述活塞之间；
所述第二主密封圈包括T型橡胶圈和两个动密封环，两个所述动密封环设置于所述T型橡胶圈的两侧，所述T型橡胶圈以及所述动密封环均能够设置于所述活塞的内孔中；
所述密封唇、所述U型动密封环和所述动密封环的材质独立地为填充型聚四氟乙烯复合材料；
所述填充型聚四氟乙烯复合材料包括以下质量份数的组分：聚四氟乙烯60～95份，高分子有机填料1～20份，碳纤维2～15份，纳米氧化锆0.1～5份；所述高分子有机填料包括聚苯酯或聚醚醚酮。
2.根据权利要求1所述的动密封组件，其特征在于：两个所述第一副密封圈以所述第一主密封圈的中线为轴线对称设置，两个所述第二副密封圈以所述第二主密封圈的中线为轴线对称设置。
3.根据权利要求1所述的动密封组件，其特征在于：还包括辅助密封单元，所述辅助密封单元包括导向环和两个分体挡圈，两个分体挡圈分别设置于所述导向环的上下两端，所述导向环和所述分体挡圈均能够设置于所述活塞的内孔中；
所述辅助密封单元的数量为两组，两组所述辅助密封单元分别设置于所述第二密封单元的上下两端。
4.根据权利要求1所述的动密封组件，其特征在于，所述密封唇、所述U型动密封环或所述动密封环的制备方法包括以下步骤：
将聚四氟乙烯、高分子有机填料、碳纤维和纳米氧化锆混合，得到聚四氟乙烯基混合料；
将所述聚四氟乙烯基混合料压制成型，得到聚四氟乙烯基成型件；
将所述聚四氟乙烯基成型件热处理，得到聚四氟乙烯基热处理件；
将所述聚四氟乙烯基热处理件进行机械加工，得到所述密封唇、所述U型动密封环或所述动密封环。
5.根据权利要求4所述的动密封组件，其特征在于：
所述聚四氟乙烯的平均粒径为40～80μm；所述聚四氟乙烯的表观密度为0.6～0.7g/cm3；
所述聚苯酯的平均粒径为60～75μm，表观密度为0.60～0.70g/cm3；所述聚醚醚酮的平均粒径为50μm，表观密度为0.25～0.35g/cm3；
所述碳纤维的直径为13μm，所述碳纤维的长径比为9:1；
所述纳米氧化锆的平均粒径为20～40nm，所述纳米氧化锆的比表面积＞80m2/g，所述纳米氧化锆的表观密度＞2.4g/cm3。
6.根据权利要求5所述的动密封组件，其特征在于：所述热处理包括升温烧结阶段，所述升温烧结阶段包括：由室温按照第一升温速率升温至第一温度进行第一保温烧结，由第一温度按照第二升温速率升温至第二温度进行第二保温烧结；所述第一温度为290～310℃，所述第一保温烧结的保温时间为60～90min，所述第一升温速率为1～3℃/min，所述第二温度为370～380℃，所述第二保温烧结的保温时间为2～6h，所述第二升温速率为0.5～1℃/min。
7.根据权利要求6所述的动密封组件，其特征在于：所述第二保温烧结得到聚四氟乙烯基烧结件，所述热处理还包括将所述聚四氟乙烯基烧结件降温冷却，所述降温冷却包括：由第二温度按照第一降温速率降温至第三温度进行第三保温，由所述第三温度随炉冷却至室温；所述第三温度为250～270℃，所述第三保温的时间为0.5～1h，所述第一降温速率为0.5～1℃/min。
8.根据权利要求5所述的动密封组件，其特征在于：所述压制成型的保压压力为30～50MPa，所述压制成型的保压时间为10～15min，由常压升压至所述压制成型的保压压力的升压速率为6～10MPa/min。
9.一种水下发动机用活塞总成，包括权利要求1-8任一项所述的动密封组件，其特征在于：还包括活塞，所述活塞的外壁上设置有第一主沟槽和第一副沟槽，所述第一主密封圈设置于所述第一主沟槽内，所述第一副密封圈设置于所述第一副沟槽内，所述活塞的内孔壁上设置有第二主沟槽和第二副沟槽，所述第二主密封圈设置于所述第二主沟槽内，所述第二副密封圈设置于所述第二副沟槽内，所述第一密封单元能够与发动机的燃料舱相抵，所述第二密封单元能够与发动机的导管相抵。
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