一种基于半连接弹性骨架的密封组件及其应用

1.本发明属于接触式密封技术领域，更具体地，涉及一种基于半连接弹性骨架的密封组件及其应用。


背景技术：

2.随着现代工业的发展，液压系统广泛应用于航天、汽车、舰船等领域。同时限制液压技术发展的关键技术之一就是密封技术。密封技术直接关系到机械设备的工作能力和设备的运行安全。例如1986年“挑战者”号航天灾难就是由于其右侧固体火箭助推器的o型密封圈低温失效造成的。
3.接触式密封按照密封形式可以分为垫片密封、o型圈密封和密封胶密封等等。影响密封性能的主要因素有螺栓预紧力、垫片性能、密封面质量、法兰刚度等。受到加工精度的限制和使用环境影响，某些密封面长期处于高温高压工作环境下，这些因素都会使得密封面的平面度变差，特别是某些接触面由于工况变动的原因，其预紧力会发生较大幅度的变动，同时帮助接触面进行预紧的螺栓等部件由于螺栓材料强度特性限制或者螺栓布置位置的限制，难以提供更大接触面预紧力，导致接触面接触压力低于下限甚至发生脱离，从而发生泄露事故。
4.为了适应对弹性模量和变形能力要求都较高的密封面，发展了一种金属弹性密封等技术，由于这种技术是采用金属与接触面之间线接触的原理，所以其对于接触面的平面度有较高的要求；还有一种基于金属骨架的弹塑性材料密封技术，但是这种技术产品将金属和弹塑性材料复合在一起，加工工艺较为复杂，且对接触面接触压力变动范围的适应性还不够强。
5.专利cn 103646674 a所公开的c型密封环，内部采用弹簧结构，由于弹簧结构是螺旋状，其每圈并非完整圆环结构，因此在承受截面方向压力时会有垂直截面的轴向力分量与变形，可能导致相邻两圈弹簧之间的间距会缩短或者变大，间距缩短后会增加相邻两圈弹簧的摩擦力，使其截面内弹性变形难度增加，间距变大后，会使弹簧密封面处弹性压力的均匀性受到影响。专利cn 114935009 a使用的主要材料是金属橡胶，金属橡胶的制备工艺较为复杂，制作成本较高。专利cn 105952891 a使用o型密封圈原理，提高了密封圈的稳定性，但是并不适用于密封面平面度较差的情况。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于半连接弹性骨架的密封组件及其应用，其目的在于，使密封组件在工作方向上具有更强的变形能力和弹性性能，并能够适应平面度较差的密封面。
7.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于半连接弹性骨架的密封组件，包括半连接弹性骨架和外包覆层，其中：
8.所述半连接弹性骨架包括若干片状弹性单元，该片状弹性单元为镂空结构；各片
状弹性单元依次层叠，且相邻片状弹性单元间仅有部分连接，其它部位存在间隙，使每个片状弹性单元能够独立发生变形，又能维持位置相对固定；
9.所述外包覆层包覆在所述半连接弹性骨架外侧。
10.作为进一步优选的，相邻片状弹性单元间连接部分占10％～20％，剩余部位存在间隙。
11.作为进一步优选的，所述片状弹性单元的截面形状为o型、e型、b型、c型或8型。
12.作为进一步优选的，当片状弹性单元的截面形状为8型时，相邻片状弹性单元的连接部分为片状弹性单元的中部位置。
13.作为进一步优选的，所述半连接弹性骨架整体呈直线型或弯曲型。
14.作为进一步优选的，所述片状弹性单元的宽度为0.2mm～1mm。
15.作为进一步优选的，所述半连接弹性骨架与外包覆层接触的部位间隙为0.01mm～0.02mm。
16.作为进一步优选的，所述半连接弹性骨架通过线切割或焊接或3d打印工艺得到。
17.作为进一步优选的，所述外包覆层由弹塑性材料制成；该外包覆层为圆筒状包覆在半连接弹性骨架外侧，或为片状半包覆在半连接弹性骨架外侧。
18.按照本发明的另一方面，提供了一种上述基于半连接弹性骨架的密封组件的应用，在待密封接触对的一侧部件上加工平底凹槽，将密封组件放入凹槽，半连接弹性骨架将外包覆层压紧，紧贴于与凹槽的上、下接触面。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
20.1.本发明密封组件在工作方向上具有较强的变形能力和弹性性能，能够适应平面度较差的密封面，并且能够制作成非环形结构；本发明能够解决目前接触式密封对密封接触面表面质量和表面形状要求较高且不适应变动接触力的问题，特别是能够适应平面度较差的非环形密封面。
21.2.本发明弹性单元片与片之间存在小部分连接，除此之外大部分部位存在间隙，从而使每一片能够独立发生变形，同时在整个单元组内又能维持位置相对固定；且每个片状弹性单元变形方向垂直于轴向方向，即与片状弹性单元截面方向一致，不会产生截面平面内之外的变形倾向。
22.3.本发明片状弹性单元采用镂空截面，截面构型更为复杂，从而使片状弹性单元的结构设计自由度更高，使得其压缩特性(压缩量与压缩载荷的关系曲线)更加可控。
23.4.本发明通过线切割、3d打印等方式加工半连接、片状弹性骨架单元组，并在外层增加外包覆层，增加了密封组件的整体性。
附图说明
24.图1为本发明实施例基于半连接弹性骨架的密封组件结构示意图；
25.图2中(a)、(b)为本发明实施例片状弹性单元正视图和侧视图；
26.图3为本发明实施例半连接弹性骨架结构示意图；
27.图4为本发明实施例各片状弹性单元单独变形示意图；
28.图5为本发明实施例直线型半连接弹性骨架示意图；
29.图6为本发明实施例圆形半连接弹性骨架示意图；
30.图7为本发明实施例曲线型半连接弹性骨架示意图；
31.图8为本发明实施例密封组件应用时的剖面图。
32.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-半连接弹性骨架、2-外包覆层、3-片状弹性单元、4-下法兰、5-密封组件、6-上法兰、7-紧固螺栓、8-环形垫片、9-螺母。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.本发明实施例提供的一种基于半连接弹性骨架的密封组件，如图1所示，包括半连接弹性骨架1和外包覆层2，其中：
35.所述半连接弹性骨架1包括若干片状弹性单元3，各片状弹性单元3依次层叠，且相邻片状弹性单元3间仅有少部分连接，其它大部分部位存在间隙，如图3所示，可以看出片状弹性单元之间存在一个相连接的部位，使每个片状弹性单元3能维持位置相对固定，且能够独立发生变形，互不影响，如图4所示；
36.所述外包覆层2包覆在所述半连接弹性骨架1外面，与上下密封接触面相接触。
37.进一步的，相邻片状弹性单元3间连接部分占10％～20％，剩余部位存在间隙。
38.进一步的，所述片状弹性单元3的截面为o型、e型、b型、c型或8型等镂空截面，从而可以在一定程度上弹性变形，弹性系数跟截面镂空构型和镂空边条厚度和宽度均有关系。
39.进一步的，所述片状弹性单元3的宽度为0.2mm～1mm，这里宽度指在片状弹性单元层叠方向的宽度，参见图2中(a)；片状弹性单元3的壁厚为0.2mm～5mm，参见图2中(b)；具体尺寸可根据需要依据密封介质压力和密封面的表面质量进行设计选定；各片状弹性单元的宽度及其分布可以有所不同。
40.进一步的，所述半连接弹性骨架1与外包覆层2接触的部位间隙为0.01mm～0.02mm，利于均匀施加压力；其它部位(如8型的腰身部位)间隙可稍大，利于每个片状弹性单元3的独立弹性变形。
41.进一步的，如图5至图7所示，半连接弹性骨架1可为直线型、圆形、曲线型等各种形状；具体通过改变片状弹性单元之间的间隙，将半连接弹性骨架1弯折成不同形状来适应不同形状的密封面。当半连接弹性骨架弯曲时，应使每片片状弹性单元的宽度分布适应半连接弹性骨架的变型趋势，保证相邻两个片状弹性单元的平均间隙较为均匀，而不是一侧间隙小、一侧间隙大。
42.进一步的，片状弹性单元3的截面形状优选为8型，如图3所示，此时，相邻片状弹性单元3的连接部分为片状弹性单元3的中部位置。
43.进一步的，所述半连接弹性骨架1通过线切割或焊接或3d打印工艺得到。
44.进一步的，外包覆层2由聚四氟乙烯、氟橡胶、硅橡胶或其他耐久性较好的弹塑性材料制成；该外包覆层2可以为圆筒状包覆在半连接弹性骨架1外侧，或为片状半包覆在半
连接弹性骨架1外侧。
45.应用上述密封组件进行密封时，预先在待密封接触对的一侧部件上加工截面为方形的平底凹槽，将密封组件放入该凹槽，凹槽宽度应保证经过安装挤压后的密封组件横向变形所需。半连接弹性骨架1提供弹性接触力，将外包覆层2压紧，使外包覆层2紧贴于与凹槽的上、下接触面，完成接触面密封。
46.以下为具体实施例：
47.采用8型镂空截面的片状弹性单元3，将密封组件5应用于某反应釜法兰密封，密封面为圆形。如图8所示，该装置包括下法兰4、上法兰6、紧固螺栓7、环形垫片8、螺母9；其中，下法兰4、上法兰6之间使用紧固螺栓7紧固，上法兰密封面处留有密封槽，密封组件置于其中，通过上下法兰将其压紧变形进而达到密封效果。
48.具体的，反应釜内径105mm，由反应釜内径至螺栓孔边缘距离14.5mm，密封面为圆形，可用密封宽度为14.5mm。使用直径为12mm、壁厚0.5mm的半连接弹性骨架，取密封组件圆环的中径为60mm，此时密封组件总长414.69mm，片状弹性单元设计宽度为2mm，此时需要207.345个片状弹性单元，取整为208，此时密封组件总长为416mm。由于密封面为圆形，此时密封组件内外周长差为75.398mm，为保证各弹性单元在被压缩时单独变形，互不干涉，相邻弹性单元之间须保持一定距离，设计量为0.2mm，此时总周长差为116.998，结合片状弹性单元数量，该半连接弹性骨架中线切割宽度为0.6mm，线切割数量与弹性单元数量相同，为208个。
49.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。