专利名称：散装粉物罐车自密封式人孔盖密封圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及密封圈，具体地指一种散装粉物罐车自密封式 人孔盖密封圈。
背景技术：
目前，我国铁路车辆散装粉物罐车上的人孔大多数还是采
用传统的自密封形式，已有30多年的历史。其构造主要由人孔 座和人孔盖组成，人孔座由人孔座圈和承盖圈组焊而成，并焊 接在罐体上。人孔盖由人孔盖圈、顶盖、固定压板、密封圈和 压环等组成，密封圈被压环用螺栓螺母固定在固定压板上。人 孔盖的一端通过转销连接在人孔座的支耳上，可以绕转销旋转。 当人孔盖关闭后，另一端通过转锁将其压紧，这样密封圈可以 贴合在承盖圈上。
其基本工作原理是当给罐体充气的气压达到一定数值后， 人孔盖密封圈在压力的作用下压紧人孔承盖圈，从而使人孔实 现自密封。对于铁路水泥罐车而言，其能承受的压力约为
0.35MPa，高于一般水泥罐车约0.25MPa的压力。这种结构的人 孔盖有制造成本低、操作简单、经久耐用、维护工作量小等优 点，在原设计状况和制造条件不变、以及用户要求不高的情况 下，基本上能满足使用要求。
但是，上述人孔盖仍存在若干不足之处当罐内压力低于 一定数值时，便不能使人孔很好地密封。当制造或装配有差异、 或在使用中出现人孔盖变形等问题时，也经常出现人孔不能很 好密封的现象。在对罐体进行水压试验或实际使用的过程中， 往往是压力小于0.2MPa时，会有一定的泄漏；而当压力提高到 0.6MPa以上后，橡胶密封圈在高压的作用下经常会从人孔盖和 承盖圈之间翻出，导致水压试验或实际使用不能继续。对于某 些具有强磨损作用的粉剂，例如氧化铝粉，在经常漏风的状况 下会加大承盖圈和密封圈的磨损，使密封效果明显下降，严重
影响粉物的卸出。特别是针对浓相氧化铝粉罐车而言，要求罐体的使用压力达到0.5MPa，传统的人孔盖在该类罐车上使用得十分勉强。究其原因传统密封圈是截面为凹槽形的橡胶圈，由上翼面、侧立面和下翼面组成，壁厚约为5mm。其上翼面通过螺栓 固定在人孔盖的固定圈上，使整个橡胶圈定位。其侧立面与人 孔盖圈的内壁接触，以防止橡胶圈外涨。其下翼面为有一定倾 斜角、且从根部到端部逐渐变薄的形状，这样设计是希望下翼 面能和承盖圈贴合得更紧一点，当橡胶圈受压时可更容易地被 压在承盖圈上，以实现良好的密封。而实际情况是由于下翼面的端部很薄，在橡胶圈成形时很容易起皱，这样几乎没有贴 合力产生。当承盖圈和橡胶圈的侧立面下部接触时，其下翼面 的端部常常上翘，根本不贴合，故在罐内压力低时常常容易漏 气。当罐内压力增高到一定数值时，又由于下翼面太薄，很容 易从人孔盖和承盖圈之间的间隙中挤出，造成罐体气体大量排 出。从对传统人孔盖和橡胶圈的模拟仿真计算中也证实了上述 现象的存在。所以，设计密封性能更好、承受压力更高的人孔 盖密封圈已迫在眉睫。发明内容本发明的目的就是要解决上述现有技术所存在的不足，提 供一种密封效果好、承压能力高、且可与传统人孔盖密封圈实 现互换的新型散装粉物罐车自密封式人孔盖密封圈。该密封圈应能保证装在现有粉物罐车的人孔盖上使人孔密封更好；当罐 车内压力提高后又有相当的抵抗变形能力，可以防止密封圈被 挤出盖外。为实现上述目的，本发明所设计的散装粉物罐车自密封式 人孔盖密封圈，由截面呈凹槽形的橡胶圈构成；所述橡胶圈的 上翼面和侧立面的截面呈矩形，所述橡胶圈的下翼面的截面呈 等厚状；所述上翼面与侧立面之间通过直角相连，所述侧立面 与下翼面之间通过加强圆角或加强倒角相连；所述下翼面的端 部下面设置有密封凸缘，所述密封凸缘的截面形状可以是半圆 形、四分之一圆形、三角形、矩形或多边形中的一种。
进一步地，所述下翼面的端部上面设置有过渡圆角，该过 渡圆角与密封凸缘相对应，可以协调密封凸缘的弹性形变，增 强密封凸缘的密封效果。
进一步地，所述下翼面与上翼面的径向长度之比值为
3/5 4/5;所述下翼面相对于水平面的上翘角为0 3° 。设计下
翼面的长度略短于上翼面，并给予其微小的上翘角，可以增加 接触点所产生的反作用力，确保其密封效果。
本发明的优点在于所设计在侧立面与下翼面内侧的加强 圆角或加强倒角能有效提高下翼面根部的刚度，所设计等厚状 的下翼面也可以有效提高其自身抗弯能力，这样就明显增强了 下翼面与承盖圈的贴合接触力。所设计在下翼面端部下面的密 封凸缘可以确保橡胶圈始终在端部与承盖圈接触，且由于接触 面积大幅减少，可以直接提高其与承盖圈的接触压力，同时由 面接触改变为线接触，使橡胶圈在人孔盖自重作用下能产生较 大的接触压力，其接触效果更好。并且，等厚状的下翼面及其 端部下面的密封凸缘可以有效增加下翼面的抗拉伸面积，直接 提高其抵抗内压的能力，从而使密封圈能够承受更高的压力。 这样，本发明的密封圈不仅能与传统的密封圈实现互换，而且 能保证更好的密封效果和提高整个密封圈的耐压能力。
图1是本发明的散装粉物罐车自密封式人孔盖密封圈与人 孔盖的组装结构示意图2是图1中的A部放大结构示意图3是传统人孔盖密封圈与人孔盖的组装放大结构示意图； 图4是传统人孔盖在0.70MPa内压作用下的仿真计算变形
图5是传统人孔盖在0.35MPa内压作用下的仿真计算应力 分布图6至图9是传统密封圈在承盖圈分别上移4mm、 8mm、 llmm和12mm时其与承盖圈之间的仿真计算接触区域和接触 压强图10至图11是传统密封圈在罐体内压分别为0.15Mpa、 0.35MPa时其与承盖圈、人孔盖圈之间的仿真计算接触区域和 接触压强图；图12至图13是本发明密封圈在承盖圈分别上移4mm和 llmm时其与承盖圈之间的仿真计算接触区域和接触压强图；图14是本发明密封圈在罐体内压为0.35Mpa时其与承盖 圈、人孔盖圈之间的仿真计算接触区域和接触压强图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的散装粉物罐车自密 封式人孔盖密封圈作进一步的详细描述如图1所示，散装粉物罐车的自密封式人孔主要由人孔座 和人孔盖两部分组成。人孔座由人孔座圈10、承盖圈9、转销支板17和转锁支板18组焊而成，并焊接固定在罐体11上。人 孔盖由人孔盖圈2、顶盖5、固定压板4、压环7和橡胶圈6等 部件组成，人孔盖圈2、顶盖5和固定压板4组焊为一体，通过 螺栓螺母3和压环7将橡胶圈6组装在固定压板4上。人孔盖 的一端通过转销1连接在人孔座的转销支板17上，这样人孔盖 可以绕转销1自由旋转，以开闭人孔。当人孔被关闭时，插上 转锁8即可压紧人孔盖。这时橡胶圈6与承盖圈9紧密贴合， 可使人孔处于密封状态。上述橡胶圈6即是本发明所设计的散 装粉物罐车自密封式人孔盖密封圈。如图2所示，本发明所设计橡胶圈6的截面呈凹槽形，其 上翼面12和侧立面13的截面呈矩形，其下翼面15的截面呈等 厚状。上翼面12与侧立面13之间通过直角20相连，侧立面13 与下翼面15之间通过加强圆角或加强倒角14相连。下翼面15 的端部下面设置有密封凸缘16，密封凸缘16的截面形状是半圆 形、四分之一圆形、三角形、矩形或多边形中的一种。下翼面 15的端部上面设置有过渡圆角19。下翼面15与上翼面12的径 向长度之比值为3/5~4/5。并且，下翼面15相对于水平面的上 翘角设计为0 3。。橡胶圈6安装时，上翼面12通过螺栓螺母 3和压环7与固定压板4相连，将橡胶圈6固定到人孔盖上；侧 立面13与人孔盖圈2的内壁接触，可防止橡胶圈6外涨。
为保证新旧密封圈之间的互换性，橡胶圈6的上翼面12和
侧立面13维持原有尺寸，以使橡胶圈6的高度不变，从而确保 安装结构尺寸不变，满足橡胶圈6与人孔盖圈2和承盖圈9之 间的配合。设计加强圆角或加强倒角14，可以起到增强侧立面 13与下翼面15连接刚度的作用，克服传统密封圈在此处刚性不 足的缺陷。设计厚度大致相等的下翼面15，在人孔关闭时可以 对承盖圈9产生较强的反作用力，而适当縮短下翼面15的长度， 并给予其一定的上翘角，可进一步加强其对承盖圈9产生的反 作用力，确保两者紧密接触。在下翼面15的端部下面设计密封 凸缘16的作用主要是保证下翼面15的端部始终与承盖圈9 之间形成局部压迫接触，大幅提高两者之间的接触压强，确保 密封效果良好，而在下翼面15的端部上面设计过渡圆角19，可 进一步协调或增强密封凸缘16的作用。
由此可见，本发明的密封圈在承受内压的情况下，由于气 压作用在橡胶圈6凹槽面上，使得压力越大橡胶圈6与其对应 接触面的接触压强也越大，这样密封就越紧。当压力增高时， 橡胶圈6在内压的作用下会外涨，其等厚的下翼面15和密封凸 缘16能够提供足够大的抗拉截面积以抵抗压力引起的变形。同 时，与传统的密封圈相比，其截面积增幅较大，也有效防止了 橡胶圈6从人孔盖圈2和承盖圈9之间的间隙中挤出，从而大 幅提高了本发明密封圈的承内压能力。
如图3所示，组装在人孔盖上的是传统密封圈6'，其上翼
面12'和侧立面13'的截面形状也是矩形，其下翼面15'的形
状有一定的倾斜角，并且从根部到端部逐渐变薄变尖，明显可 见其与本发明密封圈的结构差异。
为进一步分析和比较本发明密封圈的密封效果，下面采用 ANSYS有限元分析软件，给出分别针对传统人孔盖、传统密封 圈和本发明密封圈所作的模拟仿真计算结果
一.传统人孔盖钢结构的静强度和刚度仿真计算 如图4所示，传统人孔盖在承受0.70MPa内压的工况下， 会产生一定的变形，其中最大变形在传统人孔盖的两侧，约有
3.23mm，使原来的圆形变成椭圆形，并且往上翘，其侧部的间 隙较固定端明显增大，因此密封圈大都容易从两边挤出。如图5所示，传统人孔盖在承受0.35MPa内压的工况下， 会产生一定的应力分布变化，其中最大应力分布在固定压板两 边的内侧，约有257.79MPa，说明固定压板承受了较大的力， 为抵抗人孔盖变形起到了较大的作用。二.传统密封圈在人孔盖处于关闭状态下的仿真计算由于密封圈延环向每个截面均一样，而且延环向承受一样 的支撑和外力，在力学上可以用其-一个断面的力学计算代表整 个密封圈的受力状况，这在力学上称为轴对称问题。以下示图 均为密封圈的任意一个截面在外力作用下的受力和变形情况。由于橡胶材料的力学性质明显不同于普通钢材，橡胶材料 被称为超弹材料。密封圈本身采用橡胶材料制成，其上翼面被 压环和螺栓螺母固定在固定压板上，其侧立面的内侧与压环接 触、外侧与人孔盖圈接触，其下翼面与承盖圈接触，其实际接 触量的大小完全由橡胶密封圈的受力和变形状态确定。因此， 在模型计算中，将上翼面固定，分别对其侧立面和下翼面与钢材接触的表面采用接触单元来模拟。当两体发生接:触后，它们之间一定会产生接触压强，如果接触面之间没有接:触压强，就可以认为它们之间没有接触所以，当考察两个牧M本接触紧密程度时，主要是看它们之间的接触压力大小。假设刚开始时承盖圈与下翼面没有接触，然后让承盖圈慢 慢上移，在这样的过程中观察橡胶密封圈和承盖圈之间接触区 域位置和大小的变化，以及接触压力大小的变化。如图6所示，承盖圈上移4mm，使传统密封圈产生变形后， 其接触的区域基本上在下翼面的端部，其最大接触压强约为 0.0142MPa。如图7所示，承盖圈上移8mm，使传统密封圈产生变形后， 可以明显看出其接触区域开始向外移动，密封圈的端部没有接 触上，这主要是因为随着承盖圈的上移，下翼面的外侧也开始
和承盖圈接触，并在承盖圈的作用下发生变形，由于根部的变形而使端部脱离了承盖圈。其最大的接触压强约为0.01.6MPa。 如图8所示，承盖圈上移llmm，此时承盖圈的外圆正好和 密封圈的下表面接触，使传统密封圈产生变形后，其接触区域 继续向外侧移动，密封圈的根部明显发生弯曲，其最大接触压 强约为0.0142MPa，但接触的区域增加了，密封圈端部有更多 的区域离开了承盖圈。如图9所示，承盖圈上移12mm，使传统密封圈产生变形后， 其接触区域基本上就在密封圈的最外侧，其侧立面弯曲更为严 重。由于根部的变形，使得下翼面大部分区域均不与承盖圈接 触了。这样当真正有内压的时候，密封圈离开承盖圈的部分基 本上是两面承受内压。通过对以上仿真计算的分析，可以得出如下结论(一) 当刚开始接触时，一般是密封圈的前端接触(见图6)，随着相对距离越来越小，接触范围也逐渐向后移动，密封圈下 翼面的端部开始上翘，与承盖圈分离。(二) 在接触的过程中，接触压力在0.0142 0.016MPa之 间，接触压力不大的原因是下翼面太薄。(三) 密封圈侧立面与下翼面交汇的根部变形很大，明显 向中心弯曲，说明根部刚性不足。(四) 在人孔盖组装的过程中，装配越紧，其自密封效果越差。上述理论分析表明传统密封圈的结构并不适应实际受力 和变形状况的需要。由于其下翼面的端部太薄，在密封圈成形 后往往会出现皱褶，直接影响了密封圈的密封效果。当用力越 大时，下翼面上翘也越大，而其接触压力并无明显增加(图9 所示的压强增加是因为密封圈的侧立面受垂向挤压产生的接触 压强)。三.传统密封圈在承受内压状态下的仿真计算 假设密封圈在内压作用下逐渐完成人孔盖的自密封，此时 承盖圈的外缘刚好和密封圈的底部接触。 如图10所示，罐体内压为0.15Mpa，当密封圈开始承受压 力后，密封圈在内压的作用下开始向外变形，其下翼面开始克 服与承盖圈之间的摩擦力而向外侧移动。由于原始变形使下翼 面的端部上翘，只有部分和承盖圈接触，因此下翼面的端部两 面均受内压作用，没有起到自密封的效果。如图11所示，当罐体内压达0.35Mpa时，随着内压的升高， 密封圈逐渐克服摩擦力向外移动，最终完全与承盖圈接触，这 样可使人孔完全密封，起到了自密封的效果。并且，密封圈的 侧立面也和人孔盖圈完全贴合。四. 传统密封圈产生泄露的原因分析通过上述仿真计算可以发现，刚开始时由于传统密封圈的 端部与承盖圈分离，其两面均有压力，因此密封圈承受内压的 区域很小。当人孔盖制造或装配存在误差时，人孔就会有泄漏。 密封圈根部变形越大的地方，所受的内压也越小，泄漏的情况 就越严重。在密封圈关闭后， 一般是转销和转锁两端受力较大， 所以此处密封圈下翼面的端部就上翘得较多，这就是为什么转 销和转锁两端容易泄露的原因。当人孔盖开始承压后，人孔的 两侧开始向上和向外变形，这样使得下翼面端部很容易和承盖 圈贴合，所以刚开始时人孔两侧一般不会泄漏，两侧区域的密 封圈和承盖圈的闭合效果好于转销和转锁两端。随着压力的增加，密封圈逐渐后移，其闭合的区域增加， 所受的压力增加，密封圈的密封能力也逐渐增加。在水压试验 中，某些地方仍然有泄漏，这时用木锤敲击人孔盖，临时破坏 某些区域的静摩擦面，该处即向外移动，随即密封。当压力提高到一定数值后，密封圈被完全挤向人孔盖圈， 同样由于两侧变形较大，人孔盖圈和承盖圈之间的间隙也增大， 这就是为什么密封圈容易从两侧挤出的原因。五. 本发明密封圈在人孔盖处于关闭状态下的仿真计算 如图12所示，承盖圈上移4mm，使本发明密封圈产生变形后，其接触区域基本上在新设计的密封凸缘部分，由于整个等 厚下翼面的刚度大幅增加，故其接触压强也大幅增加，约为 0.0602MPa，是图6中接触压强的4.24倍。
如图13所示，承盖圈上移llmm，此时承盖圈的外圆正好 与本发明密封圈的下表面接触，使本发明密封圈产生变形后， 其接触区域在下翼面的密封凸缘和根部两处。其中密封凸缘 处的接触压强约为0.1492MPa，是图8中接触压强的10.5倍。如图14所示，罐体内压为0.35Mpa，由于本发明密封圈始 终能保证其下翼面的端部与承盖圈很好地接触，故 一 旦有内压 产生，整个密封圈的内侧均可承受内压，从一开始就能很好地 起到自密封作用。而且，由于本发明密封圈的密封凸缘使其后 的区域离开了承盖圈，故这 一 部分内压产生的压力均有密封凸 缘承担，使密封凸缘的压强可达1.935Mpa，高出罐体内压本身 很多，这样将产生很好的密封效果。同时，在对应正压力的情 况下，其摩擦力也大幅增加，从而能很好地防止本发明密封圈 被挤出两侧。由图12至图14的仿真计算分析可见(一) 本发明密封圈增设密封凸缘后，密封凸缘始终保持 与承盖圈紧密接触；(二) 本发明密封圈在密封凸缘处的接触压强明显增加， 最终压强约为0.1492MPa，比传统密封圈的接触压强大了 10倍；(三) 本发明密封圈在承受内压的过程中能保证始终整个 下翼面内侧均受到压力；(四) 本发明密封圈在密封凸缘处的压力始终保持最大， 比实际内压大了 5.53倍，可以很好地起到密封作用；(五) 本发明密封圈在无压接触的过程中，其根部仍有较 大的变形，这是不足之处。综上所述，由于本发明密封圈的下翼面橡胶体积明显增加， 其环向抗拉伸能力大幅增强，故其不容易从间隙中被挤出，且 能承受更高的内压，不仅能与传统的密封.圈实现互换，而且能 保证更好的密封效果和提高整个密封圈的耐压能力。
权利要求
1.一种散装粉物罐车自密封式人孔盖密封圈，由截面呈凹槽形的橡胶圈(6)构成，其特征在于所述橡胶圈(6)的上翼面(12)和侧立面(13)的截面呈矩形，所述橡胶圈(6)的下翼面(15)的截面呈等厚状，所述上翼面(12)与侧立面(13)之间通过直角(20)相连，所述侧立面(13)与下翼面(15)之间通过加强圆角或加强倒角(14)相连，所述下翼面(15)的端部下面设置有密封凸缘(16)。
2. 根据权利要求1所述的散装粉物罐车自密封式人孔盖密 封圈，其特征在于所述下翼面(15)的端部上面设置有过渡 圆角(19)。
3. 根据权利要求1或2所述的散装粉物罐车自密封式人孔 盖密封圈，其特征在于所述密封凸缘(16)的截面形状是半 圆形、四分之一圆形、三角形、矩形或多边形中的一种。
4. 根据权利要求1或2所述的散装粉物罐车自密封式人孔 盖密封圈，其特征在于所述下翼面(15)与上翼面(12)的 径向长度之比值为3/5 4/5。
5. 根据权利要求3所述的散装粉物罐车自密封式人孔盖密 封圈，其特征在于所述下翼面(15)与上翼面(12)的径向 长度之比值为3/5 4/5。
6. 根据权利要求1或2所述的散装粉物罐车自密封式人孔 盖密封圈，其特征在于所述下翼面(15)相对于水平面的上 翘角为0~3° 。
7. 根据权利要求3所述的散装粉物罐车自密封式人孔盖密 封圈，其特征在于所述下翼面(15)相对于水平面的上翘角 为0 3。。
8. 根据权利要求4所述的散装粉物罐车自密封式人孔盖密 封圈，其特征在于所述下翼面(15)相对于水平面的上翘角 为0 3° 。
9. 根据权利要求5所述的散装粉物罐车自密封式人孔盖密 封圈，其特征在于所述下翼面(15)相对于水平面的上翘角 为0 3° 。
全文摘要
本发明公开了一种改进的散装粉物罐车自密封式人孔盖密封圈。该密封圈由截面呈凹槽形的橡胶圈构成，所述橡胶圈的上翼面和侧立面的截面呈矩形，所述橡胶圈的下翼面的截面呈等厚状，所述上翼面与侧立面之间通过直角相连，所述侧立面与下翼面之间通过加强圆角或加强倒角相连，所述下翼面的端部下面设置有密封凸缘。该密封圈能与现有铁路散装粉物罐车上传统的人孔盖密封圈互换，同时能够保证更好的密封效果，并可以有效提高整个密封圈的耐压能力。特别适合于要求罐体使用压力较高的散装粉物罐车。
文档编号B65D90/00GK101209769SQ20071016896
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者吕长乐, 周晓杨, 琼 王, 王有宝 申请人:中国南车集团武汉江岸车辆厂