CN103917809B - 液压缸组件 - Google Patents
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Abstract
液压缸的活塞和活塞杆装有盘绕交织密封件(CFS)，代替橡胶O形环用于密封汽缸。得到的活塞‑汽缸机械装置结构简单，零部件数目较少，没有多个橡胶密封环，提高了耐久性，在极端温度公差下有较好的性能，提高了内压接受能力，因活塞‑汽缸摩擦力减小，降低了功率损失，并且大大减少了泄漏。
Description
声称为优先权声明
本申请的优先权是由美国临时专利申请号61/446,502根据美国法典35U.S.C.§119提供，其申请日是2011年2月25日，其公开之全文在此通过引用并入本文。
相关专利申请
本申请涉及到韩国专利申请号10-2006-0031762，其申请日是2006年4月7日，其公开之全文在此通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体涉及活塞技术，更具体地说，涉及活塞-汽缸密封机构。
背景技术
活塞是往复式发动机、往复泵、气体压缩机、气压缸以及其他类似的机械装置的部件。活塞是装在汽缸内的运动部件，并且由活塞环气体或液体密封。
传统上，汽缸中的活塞和活塞杆的密封由橡胶O形环实现。为了用橡胶O形环实现活塞和活塞杆的有效密封，橡胶O形环必须保持一定范围的弹性。橡胶O形环的弹性是执行密封功能的基本特性。然而，在低于-50℃的温度下，橡胶分子被冻凝固，橡胶O形环丧失弹性。在高于+250℃的温度下，橡胶分子炭化，也丧失弹性。因此橡胶O形环密封的活塞通常被设计成在-50℃和+250℃之间的环境温度范围内工作。
使用橡胶O形环也限制了液压缸的最大内压。当暴露于高于450kg/cm2的内压时，橡胶被挤出汽缸壁和活塞之间的间隙。因此橡胶O形环密封的活塞-汽缸通常被设计成在不高于450kg/cm2的内压下工作。
一种现有的用于克服温度和压力限制的技术是使用多个O形环的设计方案。在该设计方案中，当橡胶O形环提供密封功能时，一个或多个辅助环被用在活塞和活塞杆上，以承受汽缸的高内压。密封的橡胶O形环还被用玻璃纤维增强的酚醛树脂之类的硬聚合物制造的耐磨环补充，以延长橡胶O形环的工作寿命。其他的硬聚合物环也可以用于减小各环和汽缸壁之间的摩擦。全部可以有多达16个不同功能的O形环，导致机械结构复杂，需要昂贵且复杂的制造工艺。
这样一种多个橡胶O形环的设计方案展示在图2中。如液压缸组件的横截面图所示，11个不同功能的O形环装在活塞体25上，并且5个不同功能的O形环装在活塞杆密封体50上。活塞体25上的11个不同功能的O形环包括卡环34和44，密封环35、36和43，后备环37和42，滑动环38，垫圈39和41，以及耐磨环40。在活塞杆密封体50上，5个O形环包括卡环45和48，密封环46，U形填密环47，以及除尘环49。
使用多个橡胶O形环来密封还造成活塞在汽缸内高速往复运动过程中有极大的摩擦力，这导致功率损失，且液压缸寿命较短。为了解释这一影响，图3展示了橡胶O形环在布置于汽缸内之前和之后的放大的细节图。图3的底图显示两个橡胶O形环35和36紧固在活塞25的O形环槽内。在自然的未压缩的状态下，两个橡胶O形环35和36的横截面显示为完美的圆形。图3的顶图显示两个橡胶O形环35和36被压缩成与布置在汽缸内的橡胶O形密封环相似的状态。橡胶O形环被压平产生橡胶回复力，从而在汽缸壁24和活塞25的两个配套表面之间提供密封功能。然而，橡胶回复力也产生相对于汽缸壁24的摩擦力。
发明内容
目前要求保护的发明的一个目的是提供使用金属动态密封环的液压缸活塞密封的设计方案，从而消除由上述的性能和制造方面的缺陷。目前要求保护的发明的另一个目的提供使用盘绕交织密封件(coiled felt sealCFS)的金属动态密封环的设计方案。盘绕交织密封件是螺旋盘绕的金属动态密封环。
本发明的一个方面提供一种液压缸组件，其特征在于，包括：具有内壁的汽缸；以及活塞，该活塞包括活塞体和活塞杆；其中活塞体被连接到活塞杆的位于汽缸内的第一端上；其中活塞体被一个或多个金属动态密封环沿径向紧紧地包围；以及其中所述一个或多个金属动态密封环与汽缸的内壁紧密接触，为活塞提供密封功能。
根据目前要求保护的发明的各实施方式，液压缸的活塞和活塞杆与盘绕交织密封件适配。得到的活塞-汽缸机械装置结构简单，零部件数目较少，没有多个橡胶密封环，提高了耐久性，在极端温度公差下有较好的性能，提高了内压接受能力，因活塞-汽缸摩擦力减小，降低了功率损失，并且大大减少了泄漏。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明的各实施方式，其中；
图1示出已施加盘绕交织密封件(CFS)于活塞上的液压缸组件的一个实施方式的横截面图；
图2示出已施加常规多个橡胶O形环密封于活塞上的液压缸组件的一个实施方式的横截面图；以及
图3示出橡胶O形环布置于汽缸内之前和之后的放大的细节图。
具体实施方式
在下面的说明中，使用盘绕交织密封(CFS)的液压缸活塞密封的设计方案作为优选实施例来说明。对本领域普通技术人员来说，显然只要不背离本发明的范围和思想，就可以做出各种改进，包括增加和/或替换。可以忽略特定的细节，以便不会使发明难以理解；但是说明书写得能使本领域普通技术人员不需要过度试验即可实施这里的教导。
参照图1，液压缸组件只使用装在或者沿径向紧紧地包围在活塞体06上的一个盘绕交织密封件08，以代替现有技术中多达11个的不同功能的橡胶O形环。在活塞杆密封体04上安装的是单个盘绕交织密封件，以代替现有技术中多达5个的不同功能的橡胶O形环，用于密封汽缸内的活塞杆05。CFS活塞体密封08安装在活塞体06上。被固定在压缩环07上的弹簧孔中并且从其中伸出的压缩弹簧09在CFS活塞体密封08上提供压紧力，以保持CFS的源环紧密接触汽缸壁。CFS和汽缸壁之间的紧密接触将泄漏减少到零或者接近零。
活塞体06的活塞杆05之间的密封由橡胶O形环20提供。螺栓10将活塞体06和压缩环07保持在一起，活塞杆螺母11将活塞体06和压缩环07紧固在活塞杆05的位于汽缸内的一端。
汽缸01的连杆端02通过拉紧螺栓17被紧固到汽缸上。活塞杆05的拉紧端03被活塞杆05的拉紧端03的暴露端二者上的螺纹15紧固到活塞杆05上。
活塞杆密封体04被拉紧螺栓16紧固到汽缸01的内壁上。活塞杆05被放在活塞杆密封体04的中心开口内。CFS活塞杆密封安装在活塞杆密封体04的中心开口的面向内的一侧的周围。被固定在压缩环13上的弹簧孔中并且从其中伸出的压缩弹簧14在CFS活塞杆密封上提供压紧力，以保持盘绕交织密封的源环紧密接触汽缸壁。CFS和活塞杆表面之间的紧密接触将泄漏减少到零或者接近零。
CFS的一个实施方式称为螺旋弹簧管型动态旋转密封，它的典型应用公开在第10-2006-0031762号韩国专利申请中。其摘录列于本文件的附录A。
本发明的上述说明是出于示例和说明的目的而提供的。不用于穷举或者将本发明限制到所公开的精确的形式。许多改进和改变对本领域普通技术人员来说是显而易见的。
选择和描述各实施方式是为了更好地解释本发明的原理和其实际应用，从而确保本领域其他普通技术人员能理解本发明的适合所考虑的特定应用的各实施方式和各种改进。本发明的范围由所附的权利要求书和其等价形式来限定。
附录A
附图说明
图4是用金属薄片冲压而成的部分环的视图。
图5是示出了两个部分环通过第一部分环的凸燕尾和下一个部分环的凹燕尾而逐步接合的方法的视图。
图6是示出了通过部分环的逐步接合而成的完整的螺旋弹簧管的视图。
图7是本发明的完整的动态密封的局部剖视图，该密封是通过研磨坯料的内径和外径从而在密封中具有合适的功能而成的。
图8是用于解释本发明的动态旋转密封的原理的具有辅助的虚部的部分环的视图。
图9是使用本发明的完整的动态旋转密封的实施例的局部剖视图。
图4-9中的标记的零部件的说明
1-用金属薄片冲压而成的部分环。
2-C型部分环上燕尾接头的凸端。
3-C型部分环上燕尾接头的凹端。
4-燕尾接合线，这是C型部分环燕尾接合的结果。
5-由数个C型部分环沿螺旋形轨迹进一步接合而构成的螺旋弹簧管。
6-不接触轴的圆周，它的直径做得比轴的直径略大，从而使它总是远离轴。
7-接触轴的圆周，它的直径做得比轴的直径略小，从而使它总是接触轴。
8-接触壳体的圆周，它的直径做得比壳体的内径略大，从而使它总是与壳体接触。
9-不接触壳体的圆周，它的直径做得比壳体的内径略小，从而使它总是远离壳体。
10-壳体密封层，其外径是接触壳体的圆周，而其内径是不接触轴的圆周。
11-位移吸收层，其外径是不接触壳体的圆周，而其内径是不接触轴的圆周。
12-轴密封层，其外径是不接触壳体的圆周，而其内径是接触轴的圆周。
13-轴。
14-指示轴旋转方向的箭头。
15-当轴密封环展开时指示环展开方向的箭头。
16-假想的销，它阻挡轴密封环的旋转。
17-壳体。
18-壳体的内径。
19-插在卡环槽内以保持定位环的卡环。
20-保持密封环组件的定位环。
21-压缩环，它推动密封环组件的源环以保持密封环组件中所有的环彼此紧密接触，从而阻止各环之间泄漏。
22-为压缩环提供压缩力的压缩弹簧。
23-旋转轴的外径。
24-完整的密封组件。
25-卡环槽。
具体实施方式
本发明(CFS的称为螺旋弹簧管型动态旋转密封实施方式)的范畴落在泄漏的动态阻止技术中，当旋转压缩系统中的压力上升时，静止的壳体和旋转轴之间不可避免地会出现泄漏。
用在螺杆型压缩系统上的动态旋转密封被称为“机械密封”。机械密封至少由六部件组成：定子体，转子体，定子盘，转子盘，转子盘弹簧和转子体盘密封。如果这些部件中任何一个出故障，整个密封功能就失效。定子盘和转子盘是在压力下通过接触摩擦旋转执行实际密封功能的部件。这两个部件必须兼具高耐磨性能和低摩擦力。它们必须能够以尽可能最快的速度散热。表面积可以调节，以便有小的接触面积，从而有小的摩擦热，但小的面积会导致更快地磨损。高耐磨材料具有高摩擦力，而低摩擦力材料具有低耐磨性。如果它们用高耐磨材料制造，以便有长的寿命，摩擦热就会影响接触介质的质量，在某些情况下甚至导致火灾。
机械密封中的两个接触面受到压力和持续的摩擦，因此它们在所有情况下都会有磨损，甚至是亚微米级的，但是当亚微米磨损在各种情况下没有随着磨损得到补偿时，亚微米磨损间隙总是导致整个密封失效。
换句话说，接触盘、旋转盘中的一个必须朝配套盘、静止盘移动，以补偿磨损。这意味着当旋转体旋转时，旋转盘必须沿轴向在旋转体上朝静止盘前进。旋转盘必须能够在旋转体上滑动，以不断地朝静止盘移动。因此在旋转盘和旋转体之间有另一个地方阻止泄漏。
旋转盘在旋转体上因盘片磨损而造成的轴向移动的距离非常小，一年也就几毫米，因此旋转盘和旋转体之间的密封可以通过简单的橡胶O形环实现，这种方式更便宜，也可以通过金属波纹管实现，这种方式性能更佳。简而言之，现有技术中的旋转动态密封的实际问题在于旋转盘和转子体之间的密封上，不仅仅是在于接触盘上。
插在旋转盘和转子体之间的橡胶O形环在高温介质中会烧坏，并且在高压介质下会被挤出，并且在腐蚀性介质中会被腐蚀，但没有办法忽略它。
金属波纹管更贵，有时是整个机械密封的三倍，并且金属波纹管使得结构更复杂，这会妨碍薄而紧凑的设计，而这在精密机械中非常重要。
最终的目标是生产单件式旋转动态密封，它紧凑，密封性能更高，更便宜，并且维护成本更低，而本领域的一般称为机械密封的旋转动态密封系统具有如此多的部件，因此不可避免地会有相互关联的复杂结构，生产成本昂贵，维护成本更高，并且寿命较短。
图4是用金属薄片冲压而成的部分环，其两端具有凸的和凹的燕尾形接头，以便在进一步接合时，使接合牢固。图4展示了C型部分环(1)，它是本发明的基本的源环。部分环(1)必须通过压机冲压而成，或者用薄板坯通过诸如激光切割或者线切割之类的外形切割工艺制造出部分环(1)的完全平行的两个面。C型部分环(1)是环的一部分被切掉的环，以便让多个部分环通过在部分环(1)的两端上形成的凸燕尾(2)和凹燕尾(3)而逐步接合。切割角度的值应该与直径一起相应确定。
图5展示了两个部分环(1)通过第一部分环(1)的凸燕尾(2)和下一个部分环(1)的凹燕尾(3)而逐步接合的方法。在图5中，两个部分环被叠置在一起，以便将第一部分环的凸燕尾插到另一个部分环的凹燕尾中，以便进一步接合构成螺旋盘管。
图6展示了通过部分环(1)的逐步接合而成的完整的螺旋弹簧管(5)，并且这些燕尾接合线(4)必须在接合之后通过焊接或者铜焊永久固定。完整的螺旋弹簧管(5)上的起点展示了凸燕尾(2)，而终点展示了凹燕尾(3)。当螺旋弹簧管(5)由部分环(1)的逐步接合而构成时，燕尾接合线(4)应该错位地分布在该管表面上，错位和部分环(1)的切割角度一样多，因此燕尾接合线(4)会充分分布在管的表面上，避免不牢固的结合点重叠。在图6中，本发明的管状密封的坯料是金属带盘绕的螺旋管。
图7展示了密封组件(24)的部分剖视图，该密封组件是完整的本发明的密封环。密封组件(24)通过研磨内径和外径制造出4个不同的直径而完成，两个直径在螺旋弹簧管(5)的内侧上，另两个在外侧上。密封组件(24)的内径的较小的直径被称为接触轴的圆周(7)，该圆周做得比轴(23)的外径小约0.5％，以便当轴(13)被插到密封组件(24)内时，总是与轴(13)紧紧接触。密封组件(24)的内径的较大的直径被称为不接触轴的圆周(6)，该圆周做得比轴(23)的外径略大，以防止不接触轴的圆周(6)在任何时候接触轴(23)的外径。密封组件(24)的外径的较大的直径被称为接触壳体的圆周(8)，该圆周做得比壳体(18)的内径大大约0.5％，以便当密封组件(24)被组装到壳体(17)内时，保持接触壳体的圆周(8)与壳体(18)的内径总是紧紧接触。密封组件(24)的外径的较小的直径被称为不接触壳体的圆周(9)，该圆周做得比壳体(18)的内径略小，以防止不接触壳体的圆周(9)在任何时候接触壳体(18)的内径。制造这4个不同直径的圆周的目的是在密封组件(24)内构造3个不同的功能层。第一层被称为壳体密封层(10)，它是壳体密封环的堆积，壳体密封环的外径是接触壳体的圆周(8)，而内径是不接触轴的圆周(6)。壳体密封层的功能是阻塞壳体(18)的内径和密封组件(24)之间的泄漏，而用于构造该层以使密封性能最佳的环的数目应该由设计者根据不同的尺寸确定。第二层被称为轴密封层(12)，它是轴密封环的堆积，轴密封环的外径是不接触壳体的圆周(9)，而内径是接触轴的圆周(7)。轴密封层的功能是阻塞轴(23)的外径和密封组件(24)之间的泄漏，而用于构造该层以使密封性能最佳的环的数目应该由设计者根据不同的尺寸确定。第三层被称为位移吸收层(11)，它是浮环的堆积，其外径是不接触壳体的圆周(9)，而内径是不接触轴的圆周(6)。位移吸收层(11)构造在壳体密封层(10)和轴密封层(12)之间，以吸收轴的偏心振动，还通过随着使用而磨损，从而吸收整个系统的尺寸变化。
图8展示了本发明的密封原理。由于这3个不同的功能层构造在单根金属带上，因此施加到密封组件(24)任何一点上的任何力会立即影响整个密封组件(24)。当密封组件(24)被用力插到壳体(17)内时，密封组件(24)被紧紧地固定在壳体(17)内，因为密封组件(24)的最外侧直径是接触壳体的圆周(8)，该圆周比壳体(18)的内径大0.5％。当壳体密封层(10)被紧紧地固定到壳体(17)上时，整个密封组件(24)被固定在壳体(17)内，轴密封层(12)也是如此。密封组件(24)的最内侧直径是轴密封层(12)的内径，也是接触轴的圆周(7)，该圆周做得比轴(23)的外径小约0.5％，因此如果轴(13)被用力插到轴密封层(12)内，那么整个轴密封层(13)肯定会紧紧地粘到轴(13)上。如果轴(13)开始旋转，那么轴密封层(12)也开始随轴(13)一起旋转，但被紧紧地固定在壳体(17)内的壳体密封层(10)会阻止轴密封层(12)旋转。
这种情况与图8的情况相同，图8展示了轴密封层(12)的一个部分环通过轴(13)的旋转力将要开始旋转，通过假想的阻挡销展示了壳体密封层(10)的阻挡作用。接触轴的圆周(7)保持轴的直径(23)，但轴(13)开始向箭头(14)的方向旋转，同时阻挡销(16)阻止环旋转，然后接触轴的圆周(7)和轴的直径(23)之间的摩擦力被转变成向箭头(15)的方向打开部分环。当部分环被箭头(15)方向的力打开时，环和轴(13)之间的接触断开，换句话说，此时这里不再有接触。不再接触意味着没有摩擦力产生，因此环的打开结束，并且弹回其原始位置。环弹回其原始位置意味着环和轴(13)的接触，并且接下来摩擦力再次打开环。环和轴(13)之间的开口可以是一毫米的百万分之一，因为开口被打开到无论开口值如何小，只要开口的距离足以消除接触即可。因此环的开闭可以一秒钟发生百万次，换句话说，开口间隙也可以是一毫米的百万分之一，在百万分之一秒内通过该间隙不可能有泄漏。这种情况与普通橡胶O形环的静态密封相同，因为环和轴(13)的接触在轴(13)的旋转过程中事实上从来不断开。这种状况是螺旋弹簧和插到弹簧内的旋转圆棒之间出现的独一无二的现象，这种情形应该称为接触非接触情况。这种接触非接触现象很久以前就被用在螺旋弹簧超限运转离合器上，但本发明第一次将该现象用在动态密封上。
图9是典型的附图，它展示了使用密封组件(24)的完整的动态旋转密封的剖视图。必须有一些部件将密封组件(24)保持在汽缸(17)内，包括定位环(20)和插在卡环槽(25)内的卡环(19)。还设有压缩环(21)，用于将各源环推到一起，通过插到在压缩环(21)上构造的孔内的压缩弹簧(22)的弹簧力，阻止各源环之间的泄漏。
Claims (11)
1.一种液压缸组件，其特征在于，包括：
具有内壁的汽缸；以及
活塞，该活塞包括活塞体、活塞杆、与所述活塞体保持在一起的压缩环、以及被固定在所述压缩环上的弹簧孔中并且从所述弹簧孔中伸出的压缩弹簧；
其中活塞体被连接到活塞杆的位于汽缸内的第一端上；
其中活塞体被一个密封组件的一个或多个第一金属动态密封环沿径向紧紧地包围；
其中所述压缩弹簧在所述一个或多个第一金属动态密封环提供压紧力，以保持所述一个或多个第一金属动态密封环与汽缸的内壁紧密接触，为活塞提供密封功能；
其中一个或多个第一金属动态密封环为螺旋盘绕的金属密封件；
其中第一金属动态密封环的部分环的两端具有凸的和凹的燕尾形接头；
其中第一金属动态密封环的一个部分环的凸燕尾插到下一个部分环的凹燕尾中，逐步接合构成螺旋弹簧管；
该一个密封组件通过研磨内径和外径制造出4个不同的直径而完成，两个直径在螺旋弹簧管的内侧上，另两个在外侧上。
2.根据权利要求1所述的液压缸组件，其特征在于，还包括活塞杆密封体；
其中活塞杆密封体被紧固到汽缸的内壁上，活塞杆被布置在活塞杆密封体的中心开口中；
其中另一密封组件的一个或多个第二金属动态密封环被安装在活塞杆密封体的中心开口的面向内的一侧周围；以及
其中所述一个或多个第二金属动态密封环与活塞杆表面紧密接触，为活塞杆提供密封功能；
其中一个或多个第二金属动态密封环为螺旋盘绕的金属密封件；
其中第二金属动态密封环的部分环的两端具有凸的和凹的燕尾形接头；
其中第二金属动态密封环的一个部分环的凸燕尾插到下一个部分环的凹燕尾中，逐步接合构成螺旋弹簧管；
该另一密封组件通过研磨内径和外径制造出4个不同的直径而完成，两个直径在螺旋弹簧管的内侧上，另两个在外侧上。
3.根据权利要求1或2所述的液压缸组件，其特征在于，所述部分环是C形。
4.根据权利要求1或2所述的液压缸组件，其特征在于，部分环有平行的两相对面。
5.根据权利要求1或2所述的液压缸组件，其特征在于，所述部分环通过冲压或用切割工艺制成。
6.根据权利要求5所述的液压缸组件，其特征在于，所述切割工艺包括激光切割。
7.根据权利要求5所述的液压缸组件，其特征在于，所述切割工艺包括线切割。
8.根据权利要求1或2所述的液压缸组件，其特征在于，所述部分环是薄金属片。
9.根据权利要求1或2所述的液压缸组件，其特征在于，所述部分环是金属带。
10.根据权利要求1或2所述的液压缸组件，其特征在于，4个不同直径的圆周在密封组件内构造3个不同的功能层，即：
用于阻塞与密封组件外圈配合的汽缸内径和对应的密封组件之间的泄漏的汽缸密封层、用于阻塞与密封组件内圈配合的活塞杆外径和对应的密封组件之间的泄漏的轴密封层、构造在汽缸密封层和轴密封层之间位移吸收层。
11.根据权利要求8所述的液压缸组件，其特征在于，汽缸密封层是汽缸密封环的堆积，汽缸密封环的外径是接触汽缸的圆周，而内径是不接触活塞杆的圆周；
轴密封层是轴密封环的堆积，轴密封环的外径是不接触汽缸的圆周，而内径是接触活塞杆的圆周；
位移吸收层是浮环的堆积，浮环的外径是不接触汽缸的圆周，而内径是不接触活塞杆的圆周。
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