專利名稱：裂縫式密封環的制作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及用剛性聚合物制成的密封環。更具體地說，本發明涉及可在靜止、往復和旋轉的狀態下使用以完成密封功能的密封環。這類密封環的應用場合是隔離液態或氣態流體而使流體在密封環上施加壓力，從而形成被密封的表面。
背景技術：
如一般所知，這類密封環是用各種不同的材料制成的，最常用的材料是鑄鐵、彈性合成橡膠和各種聚合物。由于密封環是放在活塞或軸件的凹槽內的，必須在密封環內留有間隙以便將其裝在活塞或軸上或從其上卸下。已知在這些密封環上制取間隙的方法在金屬密封環和聚合物密封環的情況下是機械加工、在彈性合成橡膠密封環的情況下是切割。不論是機械加工還是切割都既冗長又很費工，因而零件的成本較高。同時，在加工密封環后實際上是從密封環上切除了材料以致在將加工過的兩個面部彼此重新接合時，密封環就不再是正圓的了。
在Berg的美國專利No.3,720,418中論述了一種使密封環裂縫的方法，其中，在密封環的外表面上刻蝕或刻劃出一“切口”，然后用重物撞擊切口部位而形成裂口。在裂縫之前在密封環表面上形成切口往往會在裂口外表面上留下永久性的凹槽。通過刻蝕或刻劃在外表面上所形成的凹槽以及通過機械加工所造成的變形會產生加壓流體的逸出通路。
因此很需要一種制造上低廉、安裝上容易而又不損害密封質量的剛性聚合物密封環。
發明概述本發明通過提供一種密封環滿足了這一要求，該密封環裝在一圓柱形件的徑向凹槽和一形成內孔的殼體之間的間隙內，其中圓柱形件在殼體內孔中作滑動安裝。密封環是用剛性聚合物制成的，如采用聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚-醚-酮、聚酰胺-酰亞胺、聚醚-酰亞胺、聚苯硫和聚苯并咪唑。密封環的表面無刻痕，但具有橫貫密封環厚度的斷裂線而構成相對的表面。這兩個表面粗糙而可配接在一起以致在強使該表面接觸時可使其互鎖。此外，密封環具有正圓度而使其雖有斷裂線仍能密封間隙。本發明密封環可對內孔和徑向凹槽之間的間隙作單環密封。本發明還提供用以使密封環裂縫的裝置。
附圖的詳細描述
圖1為使密封環裂縫時的局部性視圖。
圖2是為產生斷裂線在密封環上所加作用力的方向簡示圖。
圖3為示有密封環斷裂線的密封環三維局部視圖。
圖4為剖面圖，示出將密封環裝在圓柱形件徑向凹槽內以便在將圓柱形件裝在殼體內孔中時作出密封的功能。
圖5A為圖4所示裝在圓柱形件徑向凹槽內的密封環放大視圖，示出密封前流體的流向。
圖5B為圖4所示裝在圓柱形件徑向凹槽內的密封環放大視圖，示出密封件的密封關系。
圖6A為現有技術中在刻劃時從密封環上除去材料的局部視圖，其中刻劃有助于產生裂縫。
圖6B為現有技術中為在密封環中形成間隙在機械加工中除去材料的局部視圖。
圖6C為本發明密封環斷裂線的二維局部視圖，示出配接而鎖合的相對的兩個面部。
圖7為在本發明密封環內形成斷裂線所用裝置的一實施例簡圖。
詳細描述在圖4中大體上示出密封組件2，這是由殼體4和在殼體4的內孔8中作可動安裝的圓柱形件6構成的。圓柱形件6在內孔8中作往復式或旋轉式運動。圓柱形件6具有用以設置密封環12的徑向凹槽10以便在圓柱形件位于殼體內時密封環作出密封的功能。
可以預料，流體穿過密封環12的泄漏表明密封組件2運行不正常。在密封環位于密封組件內并在密封組件受壓的情況下，運行正常的密封環會防止或至少會盡量減少流體的泄漏。圓柱形件6具有大體上在14處所示密封環上游的受壓側和大體上在16處所示密封環下游的非受壓側。密封環12的作用在于使受壓側14與非受壓側16彼此隔離。
密封環12由包括內表面20和外表面22以及上游表面24和下游表面26的幾個表面構成如圖5B所示。如圖5A所示，在該系統受壓前，密封環并不阻止流體的泄漏，因為只是密封環的一個表面與密封組件接觸。實際上，流體會自由地經過徑向凹槽10和圍繞密封環12流動。在操作中和加壓下如圖5B所示會強使密封環12的外表面22和下游表面26相應地與內孔8和徑向凹槽10接觸，從而形成一種密封。
內孔、帶凹槽的軸件和密封環在旋轉式密封的應用中構成密封組件，而圓柱形件、帶凹槽的活塞和密封環在往復式密封的應用中構成密封組件。
圖3、6c示出本發明密封環12的局部性視圖。由于密封環12的內徑小于圓柱形件6的外徑，并由于密封環12并非彈性的，密封環12暫時勢必擴張而形成間隙，從而可將密封環12裝入圓柱形件6徑向凹槽10。在圖6c中，斷裂線18在密封環表面上看似一鋸齒形成，作貫穿密封環厚度的延伸如圖3所示。按本發明，斷裂線18通過以下所述方法形成以便將密封環裝入徑向凹槽10。
斷裂線18由垂直于密封環軸線的相對表面構成。換言之，斷裂線18基本上并不相對于半徑作角度偏離。此外，相對表面是粗糙的，這是通過以下所述裂縫方法自然地產生的。在將密封環裝進圓柱形件6的徑向凹槽10，再裝進殼體4的內孔8時，相對的兩個面部彼此接觸或幾乎彼此接觸。如熟悉本專業的人所知，密封環在圓柱形件作旋轉或往復運動時會受熱，這使密封環在密封組件處于工作條件下受熱膨脹。為此，相對的表面在達到工作條件之前不一定會是接觸的。除溫度外，流體壓力是另一影響密封環取得密封作用這一性能的工作條件。在如上所述密封組件2的壓力側14上達到工作壓力并達到工作溫度時，相對的兩個表面就配接并互鎖，因而閉合安裝密封環時所形成的間隙，因此，間隙并不成為泄漏點。應該指出，由于粗糙的相對表面配接而鎖合，為取得密封作用只需單個密封環。換言之，為取得密封作用采用多個裂縫式密封環而使斷裂線在相背方向上錯開設置如以前一般由于間隙不能完全閉合時所作就再也沒有這個必要了。
對一種使密封環12裂縫的裝置可一般地予以說明。此裝置由一支承機構和一加壓機構構成。支承機構對密封環12沿其內表面20在相隔一定距離的兩個位置上予以支承，從而取得密封環的非支承段。然后使加壓機構大體上反向地在兩個位置之間作用在繞密封環12外表面22非支承段的任一點上而足以在密封環12內形成斷裂線18。最好便加壓機構在支承機構兩個位置之間的中點處作用在密封環的外表面上。在設計上使加壓機構向兩個位置之間的空間移進直至足以造成密封環裂縫。經發現，使密封環裂縫最優選的方法是使加壓機構從外表面向內朝著密封環中心作力如圖1所示。加壓機構所施加的力使密封環內表面受到張力而外表面受到壓縮力如圖2所示。在超過極限拉伸應力時就從密封環內側徑向向外貫穿密封環厚度產生一脆性斷裂線。對熟悉本專業的人來說很明顯的是，密封環的裂縫可以在保持支承機構固定不動的情況下移動加壓機構、在保持加壓機構固定不動的情況下移動支承機構或同時移動加壓機構和支承機構予以實現。
圖7示出本發明一種密封環12裂縫裝置30的一個實施例。支承機構由機座32構成，在基座的一端具有一凹口部分34。在凹口部分34的兩側延伸并用以支承密封環12的兩個支承銷36。加壓機構由一桿件38構成，具有一下垂部分40。一加壓銷42從下垂部分40延伸出來。加壓機構通過兩個找正螺栓44與支承機構找正并與之連接。螺栓44使下垂部分40與凹口部分34找正以便將加壓機構導入凹口部分34的中間。在此實施例中還示出在加壓機構和支承機構之間延伸、疊加在找正螺栓44上的彈簧46。在操作中，將密封環12放在兩支承銷36上，其中，密封環的一非支承段延伸在兩支承銷之間。然后使加壓機構的加壓銷42在支承銷36之間頂壓密封環的非支承段以使密封環12裂縫。彈簧46用以在松開壓力而從支承銷36上卸下密封環時使加壓機構離開支承機構。
支承銷和加壓銷實際上可以是任意適宜于集中為使密封環裂縫而無局部變形所需作力的裝置。這種可能由刀刃或其他銳邊裝置作出的局部變形經發現對本發明密封環是不利的，因為這會在密封環表面上留下刻痕。
使密封環裂縫所要求的作力大小隨密封環材料性質和截面而異，這時熟悉本專業的人來說是顯而易見的。在密封環上作力的速度也很重要。如果作力速度過慢，斷裂線會相對于半徑成一角度地擴展。此外，緩慢作力和過度延伸從而使銷子或其他裂縫機構過遠地移向密封環的中心會造成密封環原有圓環形狀的變形。如果密封環作過度延伸，就會超過材料的局部彈性極限而使密封環變形。另一方面，如果作力過速，也會產生過度延伸而使密封環變形。因此，對密封環的作力速度最好是寧敏捷而勿緩慢。作力可用手壓或用受控的機械裝置。
實際上，應防止密封環移到x-y平面以外如圖2所示，這是通過使密封環保持與基面齊平予以實現的。換言之，在使密封環裂縫時不應使其移進Z平面內(與基面成一角度)。事實上，密封環在裂縫時應在x-y平面內自由地徑向變形而使密封環不作局部的變形但可隨著作力移動如圖2中虛線(作力之前)和實線(在作力中)所示。因此，在密封環裂縫時，密封環的周邊除支承機構外不受任何的限制。
按上述方法使用以上所述裝置盡管在密封環中存在著斷裂線仍可取得正圓形的密封環，這對作出密封作用是很有必要的。“正圓度”一詞是指密封件即使在裂縫后仍保持圓形的能力。在“ANSI Y14.5M-1982”中對正圓度進一步定義為在與任一垂直于一共同軸線的平面相交的表面上所有的點基本上與該軸線等距。如果密封環“超出正圓度”就極易產生泄漏，因為密封環的外表面22就不會與殼體4內孔8作完全的接觸。如上所述，在密封環中用機械加工作出一間隙時實際上切去了某些密封環材料，這就使其喪失了正圓度，在使相對的表面彼此重新接觸時就不能完全封閉這一間隙如圖6B所示，因而有造成泄漏的可能。
對于本發明密封環來說，關鍵在于；產生斷裂線18，對任意表面也未加上刻痕、切口或刻蝕。如果在產生裂縫之前對任意表面造成了刻痕、切口或刻蝕，就可能產生泄漏。如圖6A所示，外表面的刻痕實際上去掉了某些密封環的表面，造成流體的可能泄漏通路。因此本發明的密封環就無刻痕、切口或刻蝕。
此外，對密封環來說有些物理性能是很重要的。具有特殊重要性的性能是拉伸強度、拉伸模量和延伸率。盡管金屬密封環往往會有較高的拉伸強度和拉伸模量，但聚合物具有較高的延伸率。經發現，對本發明密封環來說，拉伸強度應為9000～18000psi(62.1×103～124.1×103kpa)，延伸率應為2.5～10％，拉伸模量應為310,000～750,000psi(2.14×106～5.17×106kpa)。熟悉本專業的人會理解，這些只是優選范圍，并非限制性的。
有很多不同的聚合物適用于本發明。特別適用的聚合物為聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚-醚-酮、聚酰胺-酰亞胺、聚醚-酰亞胺、聚苯硫和聚苯并咪唑。如聚合物為聚酰亞胺，最好用至少一種雙胺和至少一種酐予以制備。可用的優選雙胺包括m-苯二胺(MPD)、對苯二胺(PPD)、氧聯雙苯胺(ODA)、二苯氨基甲烷(MDA)，甲苯二胺(TDA)。可用的優選酐包括二苯甲酮-四羧酸雙酐(BTDA)、聯苯二酐(BPDA)、1，2，4-苯三酸酐(TMA)、1，2，4，5-苯四酸二酐(PMDA)、馬來酐(MA)和耐特酐(NA)(nadic anhydride)。
優選的聚酰亞胺是從以下酐和雙胺的組合取得的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-雙(對-苯氧基)-對，對’-二苯。一種用于本發明，特別令人滿意的聚酰亞胺是用1，2，4，5-苯四酸二酐和4，4’-氧聯雙苯胺(PMDA-ODA)得出的。
聚酰亞胺合成物還可包括由至少一種聚酰亞胺與至少一種其他聚合物得出的混合物，該聚合物可在低于約400℃的溫度下溶制并選自聚酰胺和聚酯樹脂，且可在45-79.9重量百分比的濃度下存在。“可熔制”是以其一般的意義使用的，也就是聚合物可在擠壓設備內在所指出的溫度下加工而無聚合物的明顯降解。
很多不同的聚酰胺和(或)聚酯可在本發明中使用和(或)可與聚酰亞胺混合。例如，可以使用的聚酰胺包括尼龍6、尼龍6，6、尼龍610和尼龍612。可以使用的聚酯包括聚丁烯對苯二酸酯和聚乙烯對苯二酸酯。
一種可融或可熔的聚酰胺或聚酯還可取液晶聚合物的形式(LCP)。液晶聚合物一般為聚酯，包括、但不限于聚酰胺脂和聚酰亞胺脂。對液晶聚合物Jackson等人在，舉例來說，美國專利4,169,933、4,242,496、4,238,600以及在“Liguid Crystal PolymersV1 LiquidCrystalline Polyesters of Substituted Hydroquinones”(“液晶聚合物取代氫醌的V1液晶聚酯”)中作了論述。
本發明聚酯還可包括其他添加劑、填料和干燥潤滑劑而不降低最終密封環的性能，這對熟悉本專業的人來說是很明顯的。例如，在合成物中加入石墨作為耐磨材料可擴大其應用范圍。其他有利的添加劑為碳纖維，用以降低熱膨脹系數。各種無機填料如人們所知用以降低摩擦系數和改進耐磨性。所用填料應不致影響密封環的裂縫。
本發明進一步通過以下示例和比較用示例加以說明。
舉例直徑為1”(2.54mm)的密封環是用不同的聚合物標準型材料制成的。密封環的截面為0.090”(0.23cm)(壁部和厚度)。采用不同的聚合物制作密封環。這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選用的，這些性能對這種應用是很必要的。試驗的聚合物示例包括1.Torlon4301(由“Amoco Chemicals Corporation”公司制造的聚酰胺一酰亞胺)2.CelazoleTMU-60(由“Hoescht Celanese”公司制造的聚苯并咪唑)3.PolypencoTechtronTM純聚苯硫4.Vespel聚酰亞胺樹脂(由“E.I.du Pont de Nemours andCompany”公司制造)5.Meldin2001和2021(由“Furon Advanced MaterialsCivision”公司制造的聚酰亞胺)6.帶15％石墨填料的Sintimid比較用密封環A.TeflonPTFE(由“E.I.du Pont de Numours and Company”公司制造)B.Victrex450G(由“Victrex Corporation”公司制造的帶玻璃填料的PEEK)。
C.具有機械加工間隙的鑄鐵D.具有機械加工間隙的Vespel聚酰亞胺樹脂1)SP-212)SP-22比較用示例A和B將比較用密封環A和B(比較用示例A和B)裝在裝置內，在兩處予以支承，加上加壓機構以使密封環裂縫。在比較用示例A中PTFE對斷裂來說過于柔軟。換言之，延伸率和拉伸強度分別為300％和6500psi(4480kpa)。對于比較用示例B來說，延伸率為14％的帶玻璃填料的PEEK具有過高的延伸率，密封環不會裂縫。
示例1～6密封環是用聚合物1～6(示例1～6)制作的如上所述，并將其裝入裝置，在兩處將其支承在支承機構上，加上加壓機構以使密封環裂縫，所得斷裂線是粗糙的。斷裂線并不成一角度偏離半徑，密封環保持其正圓度。
示例7、8和比較用示例C、D1和D2密封環是用聚合物4(示例7、8)制成的如上所述，用以與比較用密封環C、D1、D2(比較用示例C、D1、D2)進行比較。將這些密封環裝在一發動器傳動裝置的密封組件內，使其處于傳動裝置圓柱形件(軸)變化的轉速、120psi(827.4kpa)的壓力[正常操作范圍為5～240psi(34.5～1654.8kpa)]和室溫～220°F(104.34℃)變化的溫度范圍[正常操作范圍為-40～300°F(-39.96～148.74℃)]的條件下。泄漏數據見表1。
表1密封環泄漏性能，ml./min.
室溫～220°F(104.34℃)
示例7、8的密封作用正常而泄漏與比較用示例C、D1、D2相比大為改進。由于斷裂線是粗糙的，在將密封環放入密封組件和加上壓力時，迫使相對的兩個面部彼此接觸，從而使其配接而鎖合以取得密封的作用。
權利要求
1.一種密封環，用以裝在一圓柱形件的徑向凹槽和一構成內孔的殼體之間的間隙內，所述圓柱形件可動地裝在該內孔中，包括至少一種聚合物，選自以下成分構成的組聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚-醚-酮、聚酰胺-酰亞胺、聚醚-酰亞胺、聚苯硫和聚苯并咪唑，所述密封環無表面刻痕，具有一貫穿所述密封環厚度的斷裂線以形成相對的表面，其中所述表面粗糙而配接在一起以致在強使所述表面部接觸時所述表面就互鎖，所述密封環還具有正圓度而使所述密封環雖存在著所述斷裂線仍能封閉所述間隙，所述密封環因而可對所述內孔和所述徑向凹槽之間的所述間隙作單環密封。
2.按權利要求1所述密封環，其中所述聚合物具有以下物理性能i)拉伸強度在9000～18000psi的范圍內，ii)延伸率在2.5～10％的范圍內，iii)拉伸模量在310,000～750,000psi的范圍內。
3.一種用以在一密封環表面內產生一斷裂線的裝置，具有i)用以在兩個彼此相隔一定距離的位置上支承所述密封環的內表面以便形成一非支承段的裝置，ii)用以在所述密封環的所述非支承段的外表面上加壓的裝置，和iii)用以將所述加壓機構和所述支承機構彼此相向移動以便在密封環內產生所述斷裂線的裝置。
4.一種密封組件，具有i)一殼體，形成一內孔，ii)一圓柱形件，可動地位于所述殼體內，所述圓柱形件具有一徑向凹槽，這就在所述圓柱形件的所述徑向凹槽和所述內孔之間形成一間隙，iii)一密封環，裝在所述圓柱形件的所述徑向凹槽內，還包括至少一種聚合物，選自以下成分構成的組聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚-醚-酮、聚酰胺-酰亞胺、聚醚-酰亞胺、聚苯硫和聚苯并咪唑，所述密封環無表面刻痕，具有一貫穿所述密封環厚度的斷裂線以形成相對的兩個表面，所述面部是粗糙的，所述密封環具有一內表面、一外表面、一上游表面和一下游表面，因此，在流體壓力作用在所述密封環的所述上游表面而使所述圓柱形件移動時，所述密封環取得正圓度，且盡管在所述密封環內存在所述斷裂線，通過所述表面的配接和互鎖在一起，并還通過強迫使所述密封環的所述下游表面和外表面同時分別與所述徑向凹槽和所述內孔接觸，仍可取得所述間隙的單環密封。
全文摘要
本發明提供一種密封環,以便將其裝在圓柱形件徑向凹槽和構成內孔的殼體之間的間隙內,圓柱形件在內孔中作可動安裝,密封環無刻痕而具有貫穿其厚度的斷裂線以形成相對的表面。所述表面粗糙并配接在一起,以致在迫使面部接觸時面部就互鎖在一起。此外,密封環具有正圓度而使其盡管存在著斷裂線仍能密封間隙。密封環是用剛性聚合物制成的如聚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚醚－醚－酮、聚酰胺－酰亞胺、聚苯硫、聚醚－酰亞胺、聚苯并咪唑。本發明密封環可對內孔和徑向凹槽之間的間隙作單環密封。本發明還提供使密封環裂縫的裝置。
文檔編號B23D31/00GK1254404SQ98804647
公開日2000年5月24日 申請日期1998年4月29日 優先權日1997年5月1日
發明者R·G·范雷佩爾, J·R·莫特, A·W·雷蒙德, C·S·斯坦恩塔 申請人:納幕爾杜邦公司