FR2462628A1

FR2462628A1 - Multilayer seal for hydraulic piston - consists of stack of alternating elastomeric and metal rings with graduated thicknesses

Info

Publication number: FR2462628A1
Application number: FR7919431A
Authority: FR
Original assignee: Seals Eastern Inc
Current assignee: Seals Eastern Inc
Priority date: 1979-07-27
Filing date: 1979-07-27
Publication date: 1981-02-13
Also published as: FR2462628B3

Abstract

A multilayer seal consists of a stack of rings, some being made of elastomeric material and some being made of more rigid material, such as a metal. The elastomeric and rigid rings alternate in the axial direction of the stack, and the elastomeric rings are progressively thinner in the axial direction of the stack. Each ring is preferably bonded to the next successive ring in the stack. When the seal is in place between two opposed surfaces to be sealed against fluid pressure, the thickest of the elastomeric rings is arranged nearest the higher pressure end of the opposed surfaces.

Description

La présente invention a trait à des joints hermétiques, parfois appelés garnitures, utilisés pour constituer un joint hermétique aux fluides entre deux surfaces en vis-à-vis, les surfaces étant habituellement en métal et déplaçablesl'une par rapport à l'au tre. The present invention relates to hermetic seals, sometimes called seals, used to form a hermetic seal for fluids between two facing surfaces, the surfaces usually being made of metal and movable with respect to one another.

De tels joints hermétiques sont ordinairement de forme cylindrique annulaire ou creuse, et sont réalisés en caoutchouc, en matière plastique, et en autres polymères naturels et synthétiques. Les joints herméti oueds s'adaptent très étroitement entre les surfaces en vis-à-vis à rendre étanches, et lorsque la pression augmente durant une utilisation, les joints hermétiques se déforment pour accrortre l'effet d'étanchéité. Certaines garnitures sont souvent chargées élastiquement, tel que par un ressort, pour pressuriser la garniture et assurer un joint hermétique satisfaisant même à des pressions basses. Such hermetic seals are usually of cylindrical annular or hollow shape, and are made of rubber, plastic, and other natural and synthetic polymers. The hermetic wadding seals fit very tightly between the facing surfaces to make it waterproof, and when the pressure increases during use, the hermetic seals deform to increase the sealing effect. Some seals are often loaded elastically, such as by a spring, to pressurize the seal and ensure a satisfactory hermetic seal even at low pressures.

La pression de fluide sur une garniture cylindrique creuse s'exerce axialement. Puisque la garniture ne peut pas se déplacer axialement sauf dans la mesure où elle est comprimée, elle transforme la pression de fluide exercée axialement en pression radiale accrue contre les surfaces entre lesquelles la garniture est placée. La pression de fluide est, bien entendu, plus élevée à une extrémité du joint hermétique qu'à l'autre, et il arrive que la répartition de pression dans le joint ne soit pas uniforme d'une extrémité à l'autre. Au contraire, la pression radiale est la plus faible à l'extrémité du joint la plus proche de la pression de fluide élevée et augmente exponentiellement vers l'extrémité du joint la plus éloignée de la pression de fluide élevée. Ce phénomène est illustré à la page 43 du numéro du 20 janvier 1977 de la revue "Machine Design". The fluid pressure on a hollow cylindrical packing is exerted axially. Since the packing cannot move axially except to the extent that it is compressed, it transforms the fluid pressure exerted axially into increased radial pressure against the surfaces between which the packing is placed. The fluid pressure is, of course, higher at one end of the hermetic seal than at the other, and sometimes the pressure distribution in the seal is not uniform from one end to the other. In contrast, the radial pressure is lowest at the end of the seal closest to the high fluid pressure and increases exponentially towards the end of the seal farthest from the high fluid pressure. This phenomenon is illustrated on page 43 of the January 20, 1977 issue of the journal "Machine Design".

La répartition non uniforme de la pression de garniture radiale n'est habituellement pas un problème à des températures et à des pressions relativement basses (par exemple inférieures à 211 kg/cm2) du fait que le caractère élastomère du matériau du joint l'absorbe. Cependant, lorsque des joints hermétiques en polymère sont utilisés dans des applications à haute température, la température élevée provoque une réduction importante des propriétés physiques du matériau du joint, et par suite le rend moins à même d'absorber la répartition de pression radiale non uniforme. Ceci conduit finalement à une défaillance du joint. The non-uniform distribution of the radial packing pressure is usually not a problem at relatively low temperatures and pressures (eg, less than 211 kg / cm 2) since the elastomeric nature of the seal material absorbs it. However, when hermetic polymer seals are used in high temperature applications, the high temperature causes a significant reduction in the physical properties of the seal material, and therefore makes it less able to absorb the uneven radial pressure distribution. . This ultimately leads to failure of the seal.

La présente invention a pour objet de surmonter ce problème en réalisant un joint hermétique ou garniture à l'intérieur duquel existe une répartition plus uniforme de pression radiale, de sorte qu'il demeure utilisable sur la plage de températures dans laquelle le polymère constituant le joint est stable, et même à des différences de pression très 2 élevées, par exemple du vide à 2.812 kg/cm2. The object of the present invention is to overcome this problem by producing a hermetic seal or packing inside which there is a more uniform distribution of radial pressure, so that it remains usable over the temperature range in which the polymer constituting the seal. is stable, and even at very high pressure differences, for example vacuum at 2.812 kg / cm2.

La présente invention repose sur le fait que le module de compression d'une pièce en polymère est proportionnel au "facteur de forme" de la pièce. The present invention is based on the fact that the compression modulus of a polymer part is proportional to the "form factor" of the part.

Cette relation est illustrée à la page 34 d'une brochure intitulée "Engineering Design with Natural
Rubber", Quatrième Edition, 1974, publiée par
The Malaysian Rubber Producers' Research Association;
Londres, Grande-Bretagne. Le terme "facteur de forme" représente le rapport de la surface chargée de la pièce en polymère, ctest-à-dire la surface transversale à la direction axiale du joint, aux surfacea exemptes -de force de la pièce, c'est-à-dire les surfaces parallèles à la direction axiale du joint. Ceci signifie que pour la même surface chargée, plus le joint est mince dans le sens axial, plus son module de compression est grand. This relationship is illustrated on page 34 of a brochure entitled "Engineering Design with Natural
Rubber ", Fourth Edition, 1974, published by
The Malaysian Rubber Producers' Research Association;
London, Great Britain. The term "form factor" represents the ratio of the loaded surface of the polymer part, that is to say the transverse surface to the axial direction of the joint, to the surface free from the force of the part, ie - say the surfaces parallel to the axial direction of the joint. This means that for the same loaded surface, the thinner the joint in the axial direction, the larger its compression modulus.

Avec ceci présent à l'esprit, un autre but de la présente invention est de réaliser une garniture dans laquelle le module de compression augmente exponentiellement avec la distance par rapport à la région de pression de fluide élevée, de façon à compenser l'augmentation de répartition de pression radiale subie par la garniture. Cet objectif est atteint, selon l'invention, en utilisant une garniture qui est un élément composite de bagues élastomères ayant des facteurs de forme progressivement plus grands à mesure que les bagues s'éloignent de la région à pression élevée. Pour des bagues de surface uniforme, des facteurs de forme progressivement plus grands sont obtenus en réalisation les bagues progressivement plus minces. Il en résulte que chaque bague est extrudée vers l'extérieur d'environ le même degré, réduisant ainsi une usure inégale du joint sur sa longueur. With this in mind, another object of the present invention is to provide a packing in which the compression module increases exponentially with distance from the region of high fluid pressure, so as to compensate for the increase in radial pressure distribution undergone by the packing. This object is achieved, according to the invention, by using a packing which is a composite element of elastomeric rings having progressively greater form factors as the rings move away from the region at high pressure. For rings of uniform surface, progressively larger shape factors are obtained in making the rings progressively thinner. As a result, each ring is extruded outward by approximately the same degree, thereby reducing uneven seal wear along its length.

Une caractéristique de l'invention est l'utilisation d'entretoises à module de compression élevé, par exemple des bagues de métal, entre chaque paire successive de bagues élastomères, de sorte que l'ensem- ble de bagues élastomères ne se comportent pas comme une inique garniture élastomère avec la répartition de pression radiale non uniforme usuelle. L'effet de l'utilisation de bagues de métal plus rigides est accru si elles sont liées de façon permanente aux bagues élastomères avec lesquelles elles sont en contact, de façon à former un empilage unitaire de bagues élastomères et plus rigides alternées. A feature of the invention is the use of spacers with a high compression modulus, for example metal rings, between each successive pair of elastomeric rings, so that the set of elastomeric rings does not behave as an iniquitous elastomeric packing with the usual non-uniform radial pressure distribution. The effect of using more rigid metal rings is increased if they are permanently bonded to the elastomeric rings with which they are in contact, so as to form a unitary stack of alternating elastomeric and more rigid rings.

D'autres buts et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés. Other objects and characteristics of the invention will emerge from the description which follows, with reference to the appended drawings.

La Figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un dispositif à cylindre et piston actionné par fluide comportant des joints nermétiques selon l'invention. Figure 1 is a schematic longitudinal section of a fluid-actuated cylinder and piston device having nermetic seals according to the invention.

La Figure 2 est une vue en perspective éclatée, à grande échelle et nvec une partie arrachée, du joint hermétique selon la présente invention. Figure 2 is an exploded perspective view, on a large scale and with a part broken away, of the hermetic seal according to the present invention.

En vue de simplifier la représentation, la
Figure 1 représente des joints hermétiques selon la présente invention incorporés à un dispositif à cylindre et piston. On comprendra, cependant, que de tels joints hermétiques peuvent être utilisés dans une large variété d'appareils, et sont particulièrement utiles comme joints hermétiques dynamiques entre deux pièces relativement mobiles, en particulier des pièces métalliques. Le mouvement relatif peut être de translation, comme représenté, ou de rotation.In order to simplify the representation, the
Figure 1 shows hermetic seals according to the present invention incorporated into a cylinder and piston device. It will be understood, however, that such hermetic seals can be used in a wide variety of devices, and are particularly useful as dynamic hermetic seals between two relatively movable parts, in particular metal parts. The relative movement can be in translation, as shown, or in rotation.

Le dispositif à cylindre et piston comprend un cylindre 10 possédant un alésage interne 11 et deux orifices 12 et 13 pratiqués dans sa paroi latérale. Un piston 14 peut coulisser axialement à l'intérieur de l'alésage Il et est monté sur l'extrémité 15 à diamètre réduit d'une tige de piston 16. The cylinder and piston device comprises a cylinder 10 having an internal bore 11 and two orifices 12 and 13 formed in its side wall. A piston 14 can slide axially inside the bore II and is mounted on the reduced diameter end 15 of a piston rod 16.

L'extrémité 15 est filetée, et un écrou 17, vissé sur cette extrémité, maintient le piston 14 étroitement contre un épaulement 18 de la tige de piston 16. Un joint annulaire d'étanchéité 21, à l'intérieur d'un alésage agrandi dans le piston 14, entoure l'extré- mité 15 de la tige de piston et empêche une fuite de fluide, depuis une face du piston vers l'autre, entre l'extrémité 15 et le piston. Une plaque circulaire 19, ayant un diamètre approximativement égal à ou légèrement inférieur au diamètre de l'alésage 11, est située entre le piston 14 et l'épaulement 18. La tige de piston 16 coulisse dans un trou 20 pratiqué dans une paroi terminale du cylindre 10.The end 15 is threaded, and a nut 17, screwed on this end, holds the piston 14 tightly against a shoulder 18 of the piston rod 16. An annular seal 21, inside an enlarged bore in the piston 14, surrounds the end 15 of the piston rod and prevents leakage of fluid, from one face of the piston towards the other, between the end 15 and the piston. A circular plate 19, having a diameter approximately equal to or slightly less than the diameter of the bore 11, is located between the piston 14 and the shoulder 18. The piston rod 16 slides in a hole 20 made in an end wall of the cylinder 10.

En utilisation, un fluide sous pression élevée, tel que de l'air comprimé ou de l'huile, est appliqué à un orifice 12 et s'échappe de l'orifice 13, pour déplacer le piston 14 et la tige 16 vers la droite sur la Figure 1. Ensuite, le fluide sous pression élevée est appliqué à l'orifice 13 et s'échappe de l'orifice 12 pour déplacer le piston 14 et la tige 16 vers la gauche. Ce fonctionnement est, bien entendu, tout à fait classioue. In use, a fluid under high pressure, such as compressed air or oil, is applied to an orifice 12 and escapes from the orifice 13, to move the piston 14 and the rod 16 to the right in Figure 1. Then, the fluid under high pressure is applied to the orifice 13 and escapes from the orifice 12 to move the piston 14 and the rod 16 to the left. This operation is, of course, entirely classioue.

A une extrémité 23, le diamètre du piston 14 est approximativement égale à ou légèrement inférieur au diamètre de l'alésage 11. Entre cette extrémité et la plaque 19, le diamètre du piston est réduit pour constituer une gorge annulaire 24 en vue de recevoir un joint hermétique 25. Le diamètre du trou 20 est réalisé considérablement plus grand, sur la majeure partie de sa longueur, que le diamètre de la tige de piston 16, pour constituer une région annulaire en vu de loger un joint hermétique 26. Les joints 25 et 26 sont réalisés conformément à la présente invention. At one end 23, the diameter of the piston 14 is approximately equal to or slightly less than the diameter of the bore 11. Between this end and the plate 19, the diameter of the piston is reduced to form an annular groove 24 in order to receive a hermetic seal 25. The diameter of the hole 20 is made considerably larger, over most of its length, than the diameter of the piston rod 16, to form an annular region in view of accommodating a hermetic seal 26. The seals 25 and 26 are made in accordance with the present invention.

Ainsi qu'on le voit mieux sur la Figure 2, chaque joint comprend un empilage 29 4e bagues élastomères 30,31,32,33,34,35 et 36 alternant dans l'em- pilage avec des bagues 37 en matériau à module de compression élevé tel qu'en métal. Bien que sept bagues élastomères soient représentées dans le présent exemple, davantage ou moins pourraient être utilisées. 3e préférence, chacune des bagues 30-37 est fixée de façon permanente, tel qu'au moyen d'une colle appropriée, à la ou aux bague(s) avec lesquelles elle se trouve en contact, de sorte que la totalité des bagues 30-37 constituent un ensemble unitaire de joint hermétique.De plus, il est avantageux que les deux bagues extrêmes de l'empilage 29 soient des bagues métalliques 37 de sorte que les extrémités du joint soient rigides et résistantes à l'usure. As best seen in Figure 2, each joint comprises a stack 29 4th elastomer rings 30,31,32,33,34,35 and 36 alternating in the stack with rings 37 of module material high compression such as metal. Although seven elastomeric rings are shown in the present example, more or less could be used. 3rd preference, each of the rings 30-37 is permanently fixed, such as by means of an appropriate adhesive, to the ring (s) with which it is in contact, so that all of the rings 30 -37 constitute a unitary hermetic seal assembly. In addition, it is advantageous for the two end rings of the stack 29 to be metal rings 37 so that the ends of the seal are rigid and resistant to wear.

On observera que les bagues élastomères 30-36 sont progressivement plus minces dans le sens axial de la pile, c'est-à-dire que la bague 31 est est plus mince que la bague 30, que la bague 32 est plus mince que la bague 31, que la bague 33 est plus mince que la bague 32, etc. Les bagues métalliques 37 peuvent, cependant, être toutes de même épaisseur. It will be observed that the elastomeric rings 30-36 are progressively thinner in the axial direction of the stack, that is to say that the ring 31 is is thinner than the ring 30, that the ring 32 is thinner than the ring 31, that ring 33 is thinner than ring 32, etc. The metal rings 37 can, however, all be of the same thickness.

Le joint 25 porté par le piston 40 comprend deux empilages de bagues 29 en série. Entre les empilages se trouve-un joint annulaire classique 39 en matériau élastomère, et entre le joint annulaire et chaque empilage se trouve une bague d'appui 40 en matériau relativement rigide, telle qu'une matière plastique appropriée. Le joint annulaire 39 n'augmente que de façon insignifiante, si tant est qu'il le fasse, l'effet d'étanchéité des empilages 29 ; le rôle principal du joint annulaire est d'appliquer une charge axiale élastique aux empilages 29. Par conséquent, le joint annulaire 39 pourrait être remplacé par tout organe élastique approprié capable de charger axialement les empilages 29. Chaque bague d'appui 40 possède une surface plane 42 venant au contact de la bague terminale 37 de son empilage respectif, et une face concave 43 constituant un siège recevant le joint annulaire 39. The seal 25 carried by the piston 40 comprises two stacks of rings 29 in series. Between the stacks is a conventional annular seal 39 of elastomeric material, and between the annular seal and each stack is a support ring 40 of relatively rigid material, such as a suitable plastic. The annular seal 39 increases only insignificantly, if it does so, the sealing effect of the stacks 29; the main role of the annular seal is to apply an elastic axial load to the stacks 29. Consequently, the annular seal 39 could be replaced by any suitable elastic member capable of axially loading the stacks 29. Each support ring 40 has a surface plane 42 coming into contact with the terminal ring 37 of its respective stack, and a concave face 43 constituting a seat receiving the annular seal 39.

Dans le joint 25, les bagues plus épaisses 30 des empilages 29 sont plus près du joint annulaire 39, et les bagues les plus minces 36 sont plus près des faces terminales du piston 14 et de la plaque 19. In the joint 25, the thicker rings 30 of the stacks 29 are closer to the annular seal 39, and the thinner rings 36 are closer to the end faces of the piston 14 and of the plate 19.

Lorsque le piston 14 se déplace vers la droite, ceste à-dire lorsque le fluide sous pression élevée se trouve à gauche du piston, l'empilage 29 à la droite du joint annulaire 39 sert de joint principal entre le piston et la paroi du cylindre. Lorsque le piston 14 se déplace vers la gauche, c'est-à-dire lorsque le fluide sous pression élevée se trouve à droite du piston, l'empilage 29 à gauche du joint annulaire 39 sert de joint principal. Ainsi, durant un mouvement du piston, l'extrémité de chaque empilage actif 29 ayant la bague la plus épaisse 30 est plus près de la région à pression élevée que l'extrémité de l'empilage ayant la bague 36 la slus mince.Par conséquent, la répartition non uniforme de pression radiale habituellement rencontrée dans des joints hermétiques dans un tel endroit est compensée, et la répartition de pression radiale à l'intérieur de chaque empilage 29 est sensiblement uniforme. Il en résulte qu'aucune des bagues 30 à 36 sera extrudée radialement dans une mesure supérieure à toute autre, et par suite aucune bague ne s'usera plus rapidement par coulissement sur la paroi de l'alésage 11.When the piston 14 moves to the right, ie when the fluid under high pressure is on the left of the piston, the stack 29 to the right of the annular seal 39 serves as the main seal between the piston and the wall of the cylinder . When the piston 14 moves to the left, that is to say when the fluid under high pressure is on the right of the piston, the stack 29 to the left of the annular seal 39 serves as the main seal. Thus, during a movement of the piston, the end of each active stack 29 having the thickest ring 30 is closer to the high pressure region than the end of the stack having the ring 36 the thin slus. , the non-uniform distribution of radial pressure usually encountered in hermetic seals in such a place is compensated for, and the distribution of radial pressure inside each stack 29 is substantially uniform. As a result, none of the rings 30 to 36 will be radially extruded to a greater extent than any other, and consequently no ring will wear out more quickly by sliding on the wall of the bore 11.

L'empilage 29 du joint 26 est également monté avec un joint annulaire 39 et une bague d'appui 40, le joint annulaire servant à charger axialement élastiquement l'empilage. Une bague élastique 46, s'adaptant dans une gorge annulaire de la paroi du trou 10, maintient le joint 26 en position, une entretoise 47 étant picée entre la bague élastique 46 et l'extrémité de l'empilage 29. Dans le joint 26, l'extrémité de l'en pilage 29 ayant la bague 30 > plus épaisse est plus près du joint annulaire 39 parce que de cette façon elle est plus près de la région à pression élevée à llintériellr de l'alésage 11. The stack 29 of the seal 26 is also mounted with an annular seal 39 and a support ring 40, the annular seal serving to load the stack axially elastically. An elastic ring 46, which fits into an annular groove in the wall of the hole 10, keeps the seal 26 in position, a spacer 47 being pitched between the elastic ring 46 and the end of the stack 29. In the seal 26 , the end of the piling 29 having the thicker ring 30> is closer to the annular seal 39 because in this way it is closer to the high pressure region inside the bore 11.

Les dimensions particulières des bagues 30-37 dépendront des matériaux utilisés pour les fabriquer et de l'environnement dans lequel le joint sera utilisé. Néanmoins, pour favoriser l'explication de l'invention, un joint particulier ayant été utilisé avec succès sera décrit. Les bagues élastomères 50-36 sont réalisées en caoutchouc nitrile et possèdent les dimensions suivantes : diamètre extérieur 47,5 mm, diamètre intérieur 38,22 mm, et des épaisseur comme suit
Bague 30 2,3876 mm
Bague 31 1,1938 mm
Bague 32 0,8128 mm
Bague 33 0,5842 mm
Bague 34 0,4826 mm
Bague 35 0,4064 mm
Bague 36 0,3556 mm.The particular dimensions of the 30-37 rings will depend on the materials used to make them and the environment in which the seal is used. However, to promote the explanation of the invention, a particular seal having been used successfully will be described. The 50-36 elastomer rings are made of nitrile rubber and have the following dimensions: outside diameter 47.5 mm, inside diameter 38.22 mm, and thicknesses as follows
Ring 30 2.3876 mm
Ring 31 1.1938 mm
Ring 32 0.8128 mm
Ring 33 0.5842 mm
Ring 34 0.4826 mm
Ring 35 0.4064 mm
Ring 36 0.3556 mm.

Les bagues métalli-ues ont 0,702 mm d'épaisseur et ont les mêmes diamètres interne et externe que les banques de caoutchouc.The metal rings are 0.702 mm thick and have the same internal and external diameters as the rubber banks.

L'invention a été représentée et décrite dans une forme préférée seulement, et à titre d'exemple, et de nombreuses modifications peuvent y être apportées qui seront englobées dans le cadre de ladite invention. On comxndra, par conséquent, que l'invention n'est pas limitée à un mode de réalisation particulier quelconque sauf dans la mesure où de telles limitations sont énoncées dans les revendications annexées. The invention has been shown and described in a preferred form only, and by way of example, and numerous modifications may be made thereto which will be encompassed within the scope of said invention. It will therefore be appreciated that the invention is not limited to any particular embodiment except to the extent that such limitations are set out in the appended claims.

Claims

1. Hermetic seal with multiple layers, characterized in that it comprises a stack of rings, some of which are made of elastomeric material and others of more rigid material, the elastomeric and rigid rings alternating in the axial direction of the stacking , each of said rigid rings being discrete and the hermetic seal being devoid of rigid force transmission members between said rigid rings, each of said elastomeric rings being discrete and not connected to another elastomeric ring outside the rigid rings which separate them , and the elastomeric rings being progressively thinner in the axial direction of the stack.

2. Hermetic seal with multiple layers according to claim 1, characterized in that each ring is fixed to the next ring in one stack.

3. Hermetic seal with multiple layers according to claim 1, characterized in that the two end rings of the stack are made of rigid material.

4. Hermetic seal with multiple layers according to claim 1, characterized in that each of said rings has a shape in rectangular section.

5. Multi-layer hermetic seal according to claim 1, characterized in that the rigid material is a metal.

6. Multi-layer hermetic seal according to claim 1 in combination with means for applying to it an elastic axial compression load.

7. Multi-layer hermetic seal according to claim 1, in combination with two facing surfaces, a difference in fluid pressure existing between the ends of said surfaces, and the multi-layer hermetic seal located between said surfaces. vis-à-vis with the thickest of the elastomeric rings being closest to the higher pressure end of said facing surfaces.