CN1195950C - 双用途低插入力垫圈 - Google Patents

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Abstract

示出了一种管密封垫圈(73)，其被设计为容纳在热塑管插口端内设置的槽中。该垫圈包括环形体，当在横截面图中看时，该环形体包括导向的突出部区域(75)和形成在插入过程中用于接合相配合的插头端的唇密封的径向向内倾斜的主密封表面(77)，主密封表面通过中间环形槽区域(81)接合到次级密封表面(79)上，次级密封表面包括中止成垫圈的内侧角(83)的平面环形区域，所述内侧角由外垫圈表面(85)连接到垫圈的最外壁区域，垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜外垫圈表面(90)的垂直台阶部(93)连接到垫圈的突出部区域。

Description

双用途低插入力垫圈
                        技术领域
本发明总地涉及一种用于其中雄插头管部分安装在相配合的雌插口管部分之内的管接头的密封垫圈。
                        背景技术
由包括聚乙烯和PVC的热塑材料形成的管用于各种工业中。以管各部分间的接头形式，插头或雄管端插入雌或插口管端之内。典型地，环形弹性环或垫圈落座于在热塑管的插口端内形成的槽内。随着插头插入到插口之内，垫圈提供接头的主要密封能力。在安装过程中，由于垫圈的移动或错位将不利地影响接头的最终密封能力，关键的是垫圈不能扭曲或翻动。将密封环稳定在其相配合的槽内的先前的尝试包括设置内和外加强环或给弹性环提供附加刚性的带。
也作出加强管槽或相邻的管壁的尝试。确保用在要求条件下的管接头的刚性的一种早期努力是通过在管的这个区域的较大的壁厚来局部加强雌插口端的槽部分。在一些情况下，也采用加强套筒。这些方案中的每一个都不太理想，在一些情况下不能提供所需的接头完整性，并经常导致复杂并制造工作成本高。即使在如排水管或灌溉管的压力条件不很严格的应用中，也要求正确地定位垫圈，并确保其整体性。
在70年代早期，挪威的Rieber&Son of Bergen研制了一种新的技术，在工业中称为“Rieber接头”。Rieber系统采用组合模制元件和密封环用于密封由热塑材料形成的两个相配合管的插口端和插头端之间的接头。在Rieber方法中，随着雌或扩口端同时形成，弹性垫圈被插入雌管的插口端内的内槽中。在管工厂的扩口工序过程中，预应力和固定的弹性垫圈的设置给用于管接头的改进插口端提供了不会扭曲或翻动否则会允许杂质进入接头的密封区域的密封垫圈，从而增加了接头的可靠性并减少了由于磨损而导致的泄漏或有可能的故障的风险。Rieber方法在以下公开的美国专利中加以描述：4,120,521、4,061,459、4,030,872、3,965,715、3,929,958、3,887,992、3,884,612以及3,776,682。
Rieber系统提供了整体安装垫圈，其克服了在安装和使用中保持密封圈在正确位置方面的现有装置的许多缺点。随着管的雌插口端冷却先前安装的垫圈，垫圈的弹性体压缩在钢加强环和在管的插口端内形成的沟槽之间。当相配合的插头被安装以拼合管接头时，在径向方向沿垫圈的内压缩区域内发生垫圈的进一步压缩。
尽管Rieber方法提供了改进，而压缩密封几何形状在特定领域应用中存在问题。在一些应用中，特别是包括较大直径管的应用中，将雄接头端插入相配合的雌插口端所需的插入力较大，这在一些场合下可能导致垫圈扭曲或移动。同样，在包含诸如灌溉管的薄壁管的应用中，利用Rieber型工艺制造过程中涉及的力将导致管伸长，从而在垫圈区域将壁厚减小到不可接受的程度。
作为本发明的一个目的，本发明要提供一种用在诸如排水管和灌溉管的各种系统中的管垫圈，其提供了Rieber型垫圈的优点，同时避免了在现有技术中遇到的前述的问题。
本发明的另一目的是提供一种管垫圈，该垫圈提供较小的外形，并由此对于雄插头端进入雌插口端时较低的插入力，以利于管接头现场组装。
本发明的另一目的是提供一种上述类型的密封系统，其中密封垫圈安装在热塑管的雌插口端内设置的槽中，其中垫圈被设计有较小的外形，以利于在包括薄壁管的Rieber型工序内的扩口操作，减小相邻密封垫圈槽的管壁上的应力，从而防止管壁不可接受地伸长并变薄。
本发明的另一目的是提供一种用在这种密封系统中的改进的垫圈，其中垫圈由单独的、基本同族成份形成，而不具有各种材料明显的区域，诸如各不相同硬度计值的橡胶区域(varying durometer rubber region)或塑料和橡胶区域。
本发明的另一目的是提供一种具有较小外形和唇形结构的垫圈，其允许在管的插头端无倒角地组装。
                          发明内容
示出了一种管密封垫圈，其被设计用来容纳在热塑管插口端内设置的槽中。该垫圈包括：具有基本上均匀成份的环形弹性体，当在横截面图中看时，包括导向的鼻部区域和主内部密封表面，用于在插入期间接合相配合的插头端，主内部密封表面通过中间环形槽区域接合到次级内部密封表面，次级内部密封表面包括中止于垫圈的内角的平面环形区域，所述内角由外垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域，其特征在于，主内部密封表面是一个径向向内倾斜的密封表面，其形成远离鼻部区域延伸的唇密封，并且，垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶连接到垫圈的鼻部区域，所述垂直台阶面朝向鼻部区域。
根据本发明另一方面，提供了一种用于配装在热塑管插口端内设置的槽中的管密封垫圈，包括：具有基本上均匀成份的环形弹性体，当在横截面图中看时，包括导向的鼻部区域和主内部密封表面，用于在插入期间接合相配合的插头端，主密封表面通过中间环形槽区域接合到次级密封表面，次级密封表面包括中止于垫圈的内角的平面环形区域，所述内角由外垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域，其特征在于，主内部密封表面是一个径向向内倾斜的密封表面，其形成远离鼻部区域延伸的唇密封，并且垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶连接到垫圈的鼻部区域，所述垂直台阶面朝向鼻部区域；并且垫圈具有限定在鼻部区域和其内角之间的长度，并具有限定在最外壁区域和其唇区域的最内延伸部之间的宽度，长对宽的比至少为大约2∶1。
根据本发明再一方面，提供了一种利用管密封垫圈形成管接头的方法，管密封垫圈用于配装在第一节管的雌插口端内设置的槽中，用于在用一给定的插入力将雄插头端插入到雌插口端之内时形成雌插口端的内表面和相配合的第二节管的雄插头端之间的密封，所述垫圈具有改进的小外形的几何形状，所述方法包括以下步骤：
在设置于第一节管的雌插口端内的槽中安装一密封垫圈，所述垫圈形成为一具有基本均匀成份的环形弹性体，当在横截面图中看时，包括导向的鼻部区域和径向向内倾斜的主内部密封表面，该表面形成在插入期间用于接合相配合的插头端的唇密封，所述唇密封远离鼻部区域延伸，主内部密封表面通过中止于垫圈的内角的平面环形区域的中间环形槽区域接合到次级内部密封表面，所述内角由外垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域，垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶连接到垫圈的鼻部区域，所述垂直台阶面朝向鼻部区域；以及垫圈被形成为具有限定在鼻部区域和其内角之间的长度，并形成为具有限定在最外壁区域和其唇区域的最内延伸部之间的宽度，长对宽的比被选定为提供一改进的外形，其减小了在形成管接头时用于将雄插头端插入到雌插口端之内的给定插入力。
根据本发明又一方面，提供了一种用于配装在设置于热塑管插口端内的槽中的管密封垫圈，所述垫圈具有小的外形以形成改进的低插入力的几何形状，同时减小插口端制造期间的扩口力，所述垫圈包括：具有基本上均匀成份的环形弹性体，当在横截面图中看时，包括导向的鼻部区域和主内部密封表面，用于在插入期间接合相配合的插头端，主内部密封表面通过中间环形槽区域接合到次级内部密封表面，次级内部密封表面包括中止于垫圈的内角的平面环形区域，所述内角由外垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域，其特征在于，主内部密封表面是径向向内倾斜的密封表面，其形成了一个远离鼻部区域延伸的唇密封，垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶连接到垫圈的鼻部区域，所述垂直台阶面朝向鼻部区域；以及其中，唇密封具有一相对环形槽区域形成大约40°角的内壁。
垫圈的尺寸和几何形状被选取为提供较小的外形，这就减小了管接头组装过程中的插入力，同时也消除了制造操作中的特定问题，在制造过程中，弹性垫圈被插入到雌管的插口端内的内壁槽中，而同时扩口端同时形成。
                        附图说明
图1是示出本发明的管接头的部分剖去的局部透视图，其中雄插头管端插入雌插口端之内，雌插口端具有用于容纳本发明的密封垫圈的槽；
图2是为便于说明而以分离形式示出的本发明的密封垫圈的横截面侧视图；
图3是当雄插头管端插入雌插口端之内以形成管接头时处于压缩位置的图2的垫圈的横截面侧视图；
图4-7是用于在热塑管的雌插口端之内形成的槽内安装压缩密封垫圈的现有技术Rieber方法的简化示意图。
                        具体实施方式
本发明的具有改善的几何形状的管垫圈所提供的优点将通过参照根据Rieber方法制造的现有技术垫圈而得以很好地理解。首先看图4-7，说明了Rieber方法，示出在雌管段的插口端内设置的槽中安装现有技术压缩密封垫圈。
图4示出位于用于扩口工序中的芯轴17的大致圆柱形外工作面15上的具有钢加强环13的弹性密封垫圈11。该弹性垫圈11可以由例如橡胶形成，并为环形圆周元件，其具有下压缩区域19和如图4所示靠在挡块或成形挡圈23上的暴露的鼻部21。成形挡圈23具有第一大致圆柱形延伸部25，其通过台阶区域29连接到第二圆柱形延伸部27上，从而第二延伸部27的外径大于第一圆柱形延伸部25，如图4所示。
在现有技术中，钢加强弹性环11放置在芯轴17的工作面上，并推到抵靠挡块或成形挡圈23的位置。在该位置，垫圈牢固地固定在芯轴表面上。
在该方法的第二步，热塑管31的插口端33被加热并推过钢芯轴17、垫圈11以及挡圈23。由于管的热塑特性而使插口端膨胀。在现有技术中公知许多具有取决于管接头最终用途的所需膨胀特性的材料，如聚乙烯、聚丙烯以及聚氯乙烯(PVC)。
在该方法的第二步骤中，插口端33通过挡圈23的第一圆柱形延伸部25并靠在台阶区域29上。
在该技术的下一步骤(图6)中，芯轴和管背离挡圈23移动，且由于热塑材料的弹力管插口端33围绕芯轴和垫圈11收缩。一般地，通过将芯轴工作面与真空源(未示出)相连的口35、37提供真空。
在该方法的最后一步骤中(图7)，管插口端33通过水喷射条(bar)39和喷嘴41予以冷却。随着产生冷却，管插口端33围绕垫圈11收缩，从而将垫圈的橡胶体压缩在钢加强环13和插口槽之间，以建立牢固的密封。由于垫圈对插口的密封于工厂中在受控条件下产生，在存放、运输或安装过程中不可能有砂子或类似的污染物穿过垫圈的关键的密封区域。
上述的Rieber方法自70年代早期起就已经投入商业应用，并在上面提及的授权的美国专利和其他来源中有所描述，从而，这对于热塑管密封技术领域的技术人员来说是熟知的。
图1示出本发明的密封垫圈，总地标识为43，其安装于设置在热塑管的插口端47内的槽45中。该垫圈43具有较小的外形(low profile)及改进的几何形状，因此，雄插头管段49插入到雌插口段47之内可以以最小的插入力实现，同时保持管接头理想的密封特性。本发明的垫圈在包括排水管和灌溉管的各种密封应用中都可以使用，尤其是对于灌溉管，会遇到与很多高压应用中遇到的外渗形式的问题相对的渗入问题。本发明的垫圈为排水管和灌溉管应用都提供了所需的密封能力。
本发明垫圈的改善的几何形状可以结合附图中图2所示的横截面图很好地理解，其中本发明的管密封垫圈被总地标识为73。该垫圈由基本上均匀的成份(homogeneovs composition)，诸如由适宜的橡胶形成，而不是包含接合到硬塑料区域的弹性区域。55硬度计值的(55 Durometer)天然或合成橡胶，诸如SBR商业等级橡胶等提供了优选的密封可变形性。垫圈73具有导向的鼻部区域75，其接合到在插入过程中形成用于接合相配合的插头端的唇密封的径向向内倾斜的主密封表面77。主密封表面77通过中间环形槽区域81接合到次级密封表面79。次级密封区域79包括中止于垫圈的内角83的平面环形区域。
内角83由外部垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域。如图2中85处所示，外垫圈表面在内侧角83处起始为一均匀倾斜表面。该表面的斜度相对垂直轴86形成大约54°的角β。外垫圈表面85相对管水平轴89(图1)折转一个角度以形成外垫圈表面上的第一径向偏移的第一顶点(pitch point)87。外垫圈表面继续延伸以接合比第一顶点87更大的相对径向偏移的第二顶点91，从而形成倾斜的径向区域88。第二顶点91包括带有垂直台阶93的接合部，其接合引向鼻部区域75的垫圈的向下倾斜的外表面90。
诸如金属环95的加强元件在一圆周位置穿过环形弹性体。
本发明的垫圈73具有在鼻部区域75和其内角83之间所确定的长度，并具有在最外壁区域顶点91和唇区域最内侧延伸部97(见图2)之间确定的总宽。总长度在图2中示作L1，而总宽在图2中示作W1。在所示的优选实施例中，L1为大约28.8mm而W1为大约15mm。从而，优选的长宽比至少为大约2∶1。该垫圈还具有平均密封宽度W2，其被定义为顶点91和图2中轴99之间的距离。对于图2所示垫圈的特定实施例的平均密封宽度为11.25mm。
在图2所示的优选实施例中，垫圈的槽区域81包括相对槽表面81形成大约40°锐角α的内壁101。槽区域也包括相对槽区域其余部形成钝角的外壁103。
前面描述的角度和尺寸给垫圈赋予一改进的几何形状，尤其是对于薄壁塑料管及渗入比外渗更成问题的安装场合。本发明的垫圈还具有较小的外形，这利于接头的组装，并利于在Rieber型制造操作中的扩口工序。
虽然图1所示的雄插头管端49具有倒角50，本发明垫圈的小的外形和唇型结构也允许接头总成带有未倒角的插头。当需要在管的插头端进行现场切割时这是有用的。
本发明提供了多个优点。本发明的密封系统提供了在热塑管的插口端之内设置的槽中的一体形成的密封垫圈，其特征体现在一改进的几何形状，这在排水和灌溉管安装中特别有用。本发明的双用途垫圈克服了现有技术的问题，在于其减小了这些类型安装所需的插入力，同时保持所需的密封完整程度。本发明的垫圈也消除了在扩口操作中先前遇到的问题，在该操作中管壁厚度是对同时形成密封槽和安装密封垫圈能力的限制约束。
虽然本发明只以其一种形式示出，但本发明不局限于此，而在不背离其精髓前提下易于进行改变和修改。

Claims (13)

1.一种用于配装在热塑管插口端内设置的槽中的管密封垫圈，包括：
具有基本上均匀成份的环形弹性体，当在横截面图中看时，包括导向的鼻部区域和主内部密封表面，用于在插入期间接合相配合的插头端，主内部密封表面通过中间环形槽区域接合到次级内部密封表面，次级内部密封表面包括中止于垫圈的内角的平面环形区域，所述内角由外垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域，其特征在于，主内部密封表面是一个径向向内倾斜的密封表面，其形成远离鼻部区域延伸的唇密封，并且，垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶连接到垫圈的鼻部区域，所述垂直台阶面朝向鼻部区域。
2.如权利要求1所述的管密封垫圈，其特征在于，一加强元件在一个周向位置处穿过环形弹性体。
3.如权利要求1所述的管密封垫圈，其特征在于，外垫圈表面在垫圈内角处起始为一均匀倾斜的表面，但以一个角度转折以形成外垫圈表面上的第一径向偏移的内顶点。
4.如权利要求3所述的管密封垫圈，其特征在于，外垫圈表面继续延伸以接合具有比第一顶点更大的径向偏移的第二顶点，第二顶点包括接合通向垫圈的鼻部区域的均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶的接合部。
5.如权利要求2所述的管密封垫圈，其特征在于，加强元件为刚性环。
6.如权利要求1所述的管密封垫圈，其特征在于，垫圈具有限定在鼻部区域和其内角之间的长度，并具有限定在最外壁区域和其唇区域的最内延伸部之间的宽度，长对宽的比至少为大约2∶1。
7.如权利要求6所述的管密封垫圈，其特征在于，一加强元件在一个周向位置穿过环形弹性体。
8.如权利要求7所述的管密封垫圈，其特征在于，外垫圈表面在垫圈内角处起始为一均匀倾斜的表面，但以一个角度转折以形成外垫圈表面上的第一径向偏移的内顶点。
9.如权利要求8所述的管密封垫圈，其特征在于，外垫圈表面继续延伸以接合具有比第一顶点更大的径向偏移的第二顶点，第二顶点包括接合通向垫圈的鼻部区域的均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶的接合部。
10.如权利要求7所述的管密封垫圈，其特征在于，加强元件为刚性环。
11.如权利要求1所述的管密封垫圈，其特征在于所述垫圈具有小的外形以形成改进的低插入力的几何形状，同时减小插口端制造期间的扩口力，唇密封具有一相对环形槽区域形成大约40°角的内壁。
12.一种利用管密封垫圈形成管接头的方法，管密封垫圈用于配装在第一节管的雌插口端内设置的槽中，用于在用一给定的插入力将雄插头端插入到雌插口端之内时形成雌插口端的内表面和相配合的第二节管的雄插头端之间的密封，所述垫圈具有改进的小外形的几何形状，所述方法包括以下步骤：
在设置于第一节管的雌插口端内的槽中安装一密封垫圈，所述垫圈形成为一具有基本均匀成份的环形弹性体，当在横截面图中看时，包括导向的鼻部区域和径向向内倾斜的主内部密封表面，该表面形成在插入期间用于接合相配合的插头端的唇密封，所述唇密封远离鼻部区域延伸，主内部密封表面通过中止于垫圈的内角的平面环形区域的中间环形槽区域接合到次级内部密封表面，所述内角由外垫圈表面连接到垫圈的最外壁区域，垫圈的最外壁区域由接合均匀倾斜的外垫圈表面的垂直台阶连接到垫圈的鼻部区域，所述垂直台阶面朝向鼻部区域。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，垫圈被形成为具有限定在鼻部区域和其内角之间的长度，并形成为具有限定在最外壁区域和其唇区域的最内延伸部之间的宽度，垫圈被形成为长对宽的比至少约为2∶1。
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