裂缝式密封环 发明背景
【发明领域】
本发明涉及用刚性聚合物制成的密封环。更具体地说，本发明涉及可在静止、往复和旋转的状态下使用以完成密封功能的密封环。这类密封环的应用场合是隔离液态或气态流体而使流体在密封环上施加压力，从而形成被密封的表面。
【发明背景】
如一般所知，这类密封环是用各种不同的材料制成的，最常用的材料是铸铁、弹性合成橡胶和各种聚合物。由于密封环是放在活塞或轴件的凹槽内的，必须在密封环内留有间隙以便将其装在活塞或轴上或从其上卸下。已知在这些密封环上制取间隙的方法在金属密封环和聚合物密封环的情况下是机械加工、在弹性合成橡胶密封环的情况下是切割。不论是机械加工还是切割都既冗长又很费工，因而零件的成本较高。同时，在加工密封环后实际上是从密封环上切除了材料以致在将加工过的两个面部彼此重新接合时，密封环就不再是正圆的了。
在Berg的美国专利No.3,720,418中论述了一种使密封环裂缝的方法，其中，在密封环的外表面上刻蚀或刻划出一“切口”，然后用重物撞击切口部位而形成裂口。在裂缝之前在密封环表面上形成切口往往会在裂口外表面上留下永久性地凹槽。通过刻蚀或刻划在外表面上所形成的凹槽以及通过机械加工所造成的变形会产生加压流体的逸出通路。
因此很需要一种制造上低廉、安装上容易而又不损害密封质量的刚性聚合物密封环。
发明概述
本发明通过提供一种密封环满足了这一要求，该密封环装在一圆柱形件的径向凹槽和一形成内孔的壳体之间的间隙内，其中圆柱形件在壳体内孔中作滑动安装。密封环是用刚性聚合物制成的，如采用聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚醚-醚-酮、聚酰胺-酰亚胺、聚醚-酰亚胺、聚苯硫和聚苯并咪唑。密封环的表面无刻痕，但具有横贯密封环厚度的断裂线而构成相对的表面。这两个表面粗糙而可配接在一起以致在强使该表面接触时可使其互锁。此外，密封环具有正圆度而使其虽有断裂线仍能密封间隙。本发明密封环可对内孔和径向凹槽之间的间隙作单环密封。本发明还提供用以使密封环裂缝的装置。
附图的详细描述
图1为使密封环裂缝时的局部性视图。
图2是为产生断裂线在密封环上所加作用力的方向简示图。
图3为示有密封环断裂线的密封环三维局部视图。
图4为剖面图，示出将密封环装在圆柱形件径向凹槽内以便在将圆柱形件装在壳体内孔中时作出密封的功能。
图5A为图4所示装在圆柱形件径向凹槽内的密封环放大视图，示出密封前流体的流向。
图5B为图4所示装在圆柱形件径向凹槽内的密封环放大视图，示出密封件的密封关系。
图6A为现有技术中在刻划时从密封环上除去材料的局部视图，其中刻划有助于产生裂缝。
图6B为现有技术中为在密封环中形成间隙在机械加工中除去材料的局部视图。
图6C为本发明密封环断裂线的二维局部视图，示出配接而锁合的相对的两个面部。
图7为在本发明密封环内形成断裂线所用装置的一实施例简图。
详细描述
在图4中大体上示出密封组件2，这是由壳体4和在壳体4的内孔8中作可动安装的圆柱形件6构成的。圆柱形件6在内孔8中作往复式或旋转式运动。圆柱形件6具有用以设置密封环12的径向凹槽10以便在圆柱形件位于壳体内时密封环作出密封的功能。
可以预料，流体穿过密封环12的泄漏表明密封组件2运行不正常。在密封环位于密封组件内并在密封组件受压的情况下，运行正常的密封环会防止或至少会尽量减少流体的泄漏。圆柱形件6具有大体上在14处所示密封环上游的受压侧和大体上在16处所示密封环下游的非受压侧。密封环12的作用在于使受压侧14与非受压侧16彼此隔离。
密封环12由包括内表面20和外表面22以及上游表面24和下游表面26的几个表面构成如图5B所示。如图5A所示，在该系统受压前，密封环并不阻止流体的泄漏，因为只是密封环的一个表面与密封组件接触。实际上，流体会自由地经过径向凹槽10和围绕密封环12流动。在操作中和加压下如图5B所示会强使密封环12的外表面22和下游表面26相应地与内孔8和径向凹槽10接触，从而形成一种密封。
内孔、带凹槽的轴件和密封环在旋转式密封的应用中构成密封组件，而圆柱形件、带凹槽的活塞和密封环在往复式密封的应用中构成密封组件。
图3、6c示出本发明密封环12的局部性视图。由于密封环12的内径小于圆柱形件6的外径，并由于密封环12并非弹性的，密封环12暂时势必扩张而形成间隙，从而可将密封环12装入圆柱形件6径向凹槽10。在图6c中，断裂线18在密封环表面上看似一锯齿形成，作贯穿密封环厚度的延伸如图3所示。按本发明，断裂线18通过以下所述方法形成以便将密封环装入径向凹槽10。
断裂线18由垂直于密封环轴线的相对表面构成。换言之，断裂线18基本上并不相对于半径作角度偏离。此外，相对表面是粗糙的，这是通过以下所述裂缝方法自然地产生的。在将密封环装进圆柱形件6的径向凹槽10，再装进壳体4的内孔8时，相对的两个面部彼此接触或几乎彼此接触。如熟悉本专业的人所知，密封环在圆柱形件作旋转或往复运动时会受热，这使密封环在密封组件处于工作条件下受热膨胀。为此，相对的表面在达到工作条件之前不一定会是接触的。除温度外，流体压力是另一影响密封环取得密封作用这一性能的工作条件。在如上所述密封组件2的压力侧14上达到工作压力并达到工作温度时，相对的两个表面就配接并互锁，因而闭合安装密封环时所形成的间隙，因此，间隙并不成为泄漏点。应该指出，由于粗糙的相对表面配接而锁合，为取得密封作用只需单个密封环。换言之，为取得密封作用采用多个裂缝式密封环而使断裂线在相背方向上错开设置如以前一般由于间隙不能完全闭合时所作就再也没有这个必要了。
对一种使密封环12裂缝的装置可一般地予以说明。此装置由一支承机构和一加压机构构成。支承机构对密封环12沿其内表面20在相隔一定距离的两个位置上予以支承，从而取得密封环的非支承段。然后使加压机构大体上反向地在两个位置之间作用在绕密封环12外表面22非支承段的任一点上而足以在密封环12内形成断裂线18。最好便加压机构在支承机构两个位置之间的中点处作用在密封环的外表面上。在设计上使加压机构向两个位置之间的空间移进直至足以造成密封环裂缝。经发现，使密封环裂缝最优选的方法是使加压机构从外表面向内朝着密封环中心作力如图1所示。加压机构所施加的力使密封环内表面受到张力而外表面受到压缩力如图2所示。在超过极限拉伸应力时就从密封环内侧径向向外贯穿密封环厚度产生一脆性断裂线。对熟悉本专业的人来说很明显的是，密封环的裂缝可以在保持支承机构固定不动的情况下移动加压机构、在保持加压机构固定不动的情况下移动支承机构或同时移动加压机构和支承机构予以实现。
图7示出本发明一种密封环12裂缝装置30的一个实施例。支承机构由机座32构成，在基座的一端具有一凹口部分34。在凹口部分34的两侧延伸并用以支承密封环12的两个支承销36。加压机构由一杆件38构成，具有一下垂部分40。一加压销42从下垂部分40延伸出来。加压机构通过两个找正螺栓44与支承机构找正并与之连接。螺栓44使下垂部分40与凹口部分34找正以便将加压机构导入凹口部分34的中间。在此实施例中还示出在加压机构和支承机构之间延伸、叠加在找正螺栓44上的弹簧46。在操作中，将密封环12放在两支承销36上，其中，密封环的一非支承段延伸在两支承销之间。然后使加压机构的加压销42在支承销36之间顶压密封环的非支承段以使密封环12裂缝。弹簧46用以在松开压力而从支承销36上卸下密封环时使加压机构离开支承机构。
支承销和加压销实际上可以是任意适宜于集中为使密封环裂缝而无局部变形所需作力的装置。这种可能由刀刃或其他锐边装置作出的局部变形经发现对本发明密封环是不利的，因为这会在密封环表面上留下刻痕。
使密封环裂缝所要求的作力大小随密封环材料性质和截面而异，这时熟悉本专业的人来说是显而易见的。在密封环上作力的速度也很重要。如果作力速度过慢，断裂线会相对于半径成一角度地扩展。此外，缓慢作力和过度延伸从而使销子或其他裂缝机构过远地移向密封环的中心会造成密封环原有圆环形状的变形。如果密封环作过度延伸，就会超过材料的局部弹性极限而使密封环变形。另一方面，如果作力过速，也会产生过度延伸而使密封环变形。因此，对密封环的作力速度最好是宁敏捷而勿缓慢。作力可用手压或用受控的机械装置。
实际上，应防止密封环移到x-y平面以外如图2所示，这是通过使密封环保持与基面齐平予以实现的。换言之，在使密封环裂缝时不应使其移进Z平面内(与基面成一角度)。事实上，密封环在裂缝时应在x-y平面内自由地径向变形而使密封环不作局部的变形但可随着作力移动如图2中虚线(作力之前)和实线(在作力中)所示。因此，在密封环裂缝时，密封环的周边除支承机构外不受任何的限制。
按上述方法使用以上所述装置尽管在密封环中存在着断裂线仍可取得正圆形的密封环，这对作出密封作用是很有必要的。“正圆度”一词是指密封件即使在裂缝后仍保持圆形的能力。在“ANSI Y14.5M-1982”中对正圆度进一步定义为：在与任一垂直于一共同轴线的平面相交的表面上所有的点基本上与该轴线等距。如果密封环“超出正圆度”就极易产生泄漏，因为密封环的外表面22就不会与壳体4内孔8作完全的接触。如上所述，在密封环中用机械加工作出一间隙时实际上切去了某些密封环材料，这就使其丧失了正圆度，在使相对的表面彼此重新接触时就不能完全封闭这一间隙如图6B所示，因而有造成泄漏的可能。
对于本发明密封环来说，关键在于；产生断裂线18，对任意表面也未加上刻痕、切口或刻蚀。如果在产生裂缝之前对任意表面造成了刻痕、切口或刻蚀，就可能产生泄漏。如图6A所示，外表面的刻痕实际上去掉了某些密封环的表面，造成流体的可能泄漏通路。因此本发明的密封环就无刻痕、切口或刻蚀。
此外，对密封环来说有些物理性能是很重要的。具有特殊重要性的性能是拉伸强度、拉伸模量和延伸率。尽管金属密封环往往会有较高的拉伸强度和拉伸模量，但聚合物具有较高的延伸率。经发现，对本发明密封环来说，拉伸强度应为9000～18000psi(62.1×103～124.1×103kpa)，延伸率应为2.5～10％，拉伸模量应为310,000～750,000psi(2.14×106～5.17×106kpa)。熟悉本专业的人会理解，这些只是优选范围，并非限制性的。
有很多不同的聚合物适用于本发明。特别适用的聚合物为聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚醚-醚-酮、聚酰胺-酰亚胺、聚醚-酰亚胺、聚苯硫和聚苯并咪唑。如聚合物为聚酰亚胺，最好用至少一种双胺和至少一种酐予以制备。可用的优选双胺包括m-苯二胺(MPD)、对苯二胺(PPD)、氧联双苯胺(ODA)、二苯氨基甲烷(MDA)，甲苯二胺(TDA)。可用的优选酐包括二苯甲酮-四羧酸双酐(BTDA)、联苯二酐(BPDA)、1，2，4-苯三酸酐(TMA)、1，2，4，5-苯四酸二酐(PMDA)、马来酐(MA)和耐特酐(NA)(nadic anhydride)。
优选的聚酰亚胺是从以下酐和双胺的组合取得的：BTDA-MPD、MA-MDA、BTDA-TDA-MPD、BTDA-MDA-NA、TMA-MPD和TMA-ODA、BPDA-ODA、BPDA-MPD、BPDA-PPD、BTDA-4，4’-二氨基二苯酮、BTDA-双(对-苯氧基)-对，对’-二苯。一种用于本发明，特别令人满意的聚酰亚胺是用1，2，4，5-苯四酸二酐和4，4’-氧联双苯胺(PMDA-ODA)得出的。
聚酰亚胺合成物还可包括由至少一种聚酰亚胺与至少一种其他聚合物得出的混合物，该聚合物可在低于约400℃的温度下溶制并选自聚酰胺和聚酯树脂，且可在45-79.9重量百分比的浓度下存在。“可熔制”是以其一般的意义使用的，也就是聚合物可在挤压设备内在所指出的温度下加工而无聚合物的明显降解。
很多不同的聚酰胺和(或)聚酯可在本发明中使用和(或)可与聚酰亚胺混合。例如，可以使用的聚酰胺包括尼龙6、尼龙6，6、尼龙610和尼龙612。可以使用的聚酯包括聚丁烯对苯二酸酯和聚乙烯对苯二酸酯。
一种可融或可熔的聚酰胺或聚酯还可取液晶聚合物的形式(LCP)。液晶聚合物一般为聚酯，包括、但不限于聚酰胺脂和聚酰亚胺脂。对液晶聚合物Jackson等人在，举例来说，美国专利4,169,933、4,242,496、4,238,600以及在“Liguid Crystal Polymers：V1 LiquidCrystalline Polyesters of Substituted Hydroquinones”(“液晶聚合物：取代氢醌的V1液晶聚酯”)中作了论述。
本发明聚酯还可包括其他添加剂、填料和干燥润滑剂而不降低最终密封环的性能，这对熟悉本专业的人来说是很明显的。例如，在合成物中加入石墨作为耐磨材料可扩大其应用范围。其他有利的添加剂为碳纤维，用以降低热膨胀系数。各种无机填料如人们所知用以降低摩擦系数和改进耐磨性。所用填料应不致影响密封环的裂缝。
本发明进一步通过以下示例和比较用示例加以说明。
举例
直径为1”(2.54mm)的密封环是用不同的聚合物标准型材料制成的。密封环的截面为0.090”(0.23cm)(壁部和厚度)。采用不同的聚合物制作密封环。这些特定的聚合物是以其良好的耐磨性能和低摩擦性能予以选用的，这些性能对这种应用是很必要的。试验的聚合物示例包括：
1.Torlon4301(由“Amoco Chemicals Corporation”公司制造
的聚酰胺一酰亚胺)
2.CelazoleTM U-60(由“Hoescht Celanese”公司制造的聚苯并
咪唑)
3.PolypencoTechtronTM纯聚苯硫
4.Vespel聚酰亚胺树脂(由“E.I.du Pont de Nemours and
Company”公司制造)
5.Meldin2001和2021(由“Furon Advanced Materials
Civision”公司制造的聚酰亚胺)
6.带15％石墨填料的Sintimid
比较用密封环：
A.TeflonPTFE(由“E.I.du Pont de Numours and Company”
公司制造)
B.Victrex450G(由“Victrex Corporation”公司制造的带玻
璃填料的PEEK)。
C.具有机械加工间隙的铸铁
D.具有机械加工间隙的Vespel聚酰亚胺树脂
1)SP-21
2)SP-22
比较用示例A和B
将比较用密封环A和B(比较用示例A和B)装在装置内，在两处予以支承，加上加压机构以使密封环裂缝。在比较用示例A中PTFE对断裂来说过于柔软。换言之，延伸率和拉伸强度分别为300％和6500psi(4480kpa)。对于比较用示例B来说，延伸率为14％的带玻璃填料的PEEK具有过高的延伸率，密封环不会裂缝。
示例1～6：
密封环是用聚合物1～6(示例1～6)制作的如上所述，并将其装入装置，在两处将其支承在支承机构上，加上加压机构以使密封环裂缝，所得断裂线是粗糙的。断裂线并不成一角度偏离半径，密封环保持其正圆度。
示例7、8和比较用示例C、D1和D2：
密封环是用聚合物4(示例7、8)制成的如上所述，用以与比较用密封环C、D1、D2(比较用示例C、D1、D2)进行比较。将这些密封环装在一发动器传动装置的密封组件内，使其处于传动装置圆柱形件(轴)变化的转速、120psi(827.4kpa)的压力[正常操作范围为5～240psi(34.5～1654.8kpa)]和室温～220°F(104.34℃)变化的温度范围[正常操作范围为-40～300°F(-39.96～148.74℃)]的条件下。泄漏数据见表1。
表1
密封环泄漏性能，ml./min.
室温～220°F(104.34℃) 静止 2000 rpm 3500 rpm 静 止2000rpm起始2000rpm@0.5hr 2000rpm @1.0hr 2000rpm @1.5hr 3500rpm 起始3500rpm@0.5hr 3500rpm @1.0hr 3500rpm @1.5hr示例7 75 120 120 80 75 70 75 75 75 85 80 70示例8 70 70 70 ＜5 15 15 20 20 5 5 5 8比较用示例C 100 120 130 160 180 180 190 180 170 170 170 180比较用示例D1 230 260 260 140 180 180 180 180 180 180 180 180比较用示例D2 240 260 280 160 200 190 190 190 200 190 200 190示例7、8的密封作用正常而泄漏与比较用示例C、D1、D2相比大为改进。由于断裂线是粗糙的，在将密封环放入密封组件和加上压力时，迫使相对的两个面部彼此接触，从而使其配接而锁合以取得密封的作用。