CN118128906B - 一种组合式密封环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式密封环，涉及组合式密封环技术领域，包括第一环形件、第二环形件、第三环形件以及第四环形件，第一环形件、第二环形件、第三环形件、第四环形件内外径相同且同轴线设置，其中，第一环形件与第二环形件固定连接，第二环形件与第三环形件固定连接，第三环形件与第四环形件固定连接；第一环形件环绕设置有多个弧形凹槽与第一平底凹槽；第二环形件环绕设置有多个弧形拱部与平底拱部；第三环形件环绕设置有多个弧形凸部与第一平顶凸部；第四环形件环绕设置有多个第二平顶凸部；本发明密封环通过不同环形件的组合具备了高硬度与润滑性等特性。

Description

一种组合式密封环

技术领域

本发明涉及密封环技术领域，尤其涉及一种组合式密封环。

背景技术

现有技术中，硬质密封环采用单一材质烧结形成，这导致现有技术的硬质密封环不具备自润滑能力，在高压、高温和腐蚀性环境中，密封环通常也不能采用润滑油等润滑物进行润滑，这导致现有技术缺乏对硬质密封环进行润滑的手段；同时在高压、高温和腐蚀性环境下，密封环需要具备优异的硬度、耐磨损和抗腐蚀性能，这使得现有应用于严苛生产环境下的硬质密封环难以兼具自润滑能力。

然而密封环的润滑至关重要；有效的润滑可以减少摩擦、降低磨损，间接防止密封环进一步腐蚀；设计和选择润滑手段时必须考虑到对应的使用环境，如高温、高压、化学腐蚀或磨料磨损等；例如，在核电冷却密封系统中，对密封环的稳定性有极高要求，而在油气提取和加工设备中，选择适当的润滑材料和策略可以显著提高密封环的性能和耐久性，减少维护需求，避免意外停机。

发明内容

本发明目的在于提供一种组合式密封环，旨在提供一种兼具高硬度且具备自润滑以及良好导热性的组合式密封环。

本发明通过下述技术方案实现：

一种组合式密封环，包括第一环形件、第二环形件、第三环形件以及第四环形件，第一环形件、第二环形件、第三环形件、第四环形件内外径相同且同轴线设置，其中，第一环形件与第二环形件固定连接，第二环形件与第三环形件固定连接，第三环形件与第四环形件固定连接；

第一环形件朝向第二环形件的一端环绕设置有多个弧形凹槽与第一平底凹槽；第二环形件朝向第一环形件的一端环绕设置有多个弧形拱部与平顶拱部；第三环形件朝向第二环形件的一端环绕设置有多个弧形凸部与第一平顶凸部，且其朝向第四环形件的一端环绕设置有多个第二平底凹槽；第四环形件朝向第三环形件的一端环绕设置有多个第二平顶凸部；

第一环形件与第二环形件连接形成第一原组合件，第一原组合件的环形外侧轴段等间距设置有数条环线槽；

第一环形件的莫氏硬度大于第三环形件，第三环形件具备自润滑性。

在具体设置中，第一环形件轴向一端为平面，且其在远离平面端的另一端圆周均匀设置多个沿径向延伸的弧形凹槽，相邻的弧形凹槽之间还设置有沿径向延伸的第一平底凹槽，弧形凹槽与第一平底凹槽均为朝向第一环形件轴线方向的凹槽，并且弧形凹槽的轴向深度大于第一平底凹槽的轴向深度；

与第一环形件连接的第二环形件对应设置有异形结构体，其在朝向第一环形件一端圆周均匀设置有多个沿径向延伸的弧形拱部，弧形拱部与弧形凹槽数量相同，并且弧形拱部一一对应第一环形件的弧形凹槽嵌合设置，相邻的弧形拱部之间设置有多个沿径向延伸的平顶拱部，平顶拱部与第一平底凹槽数量相同，并且平顶拱部一一对应第一环形件的平顶凹槽嵌合设置，弧形拱部与平顶拱部均为朝向第一环形件轴线方向的拱起部，弧形拱部的轴向拱起高度大于平顶拱部的拱起高度，弧形拱部与平顶拱部分别嵌合连接到第一环形件的弧形凹槽与第一平底凹槽之中，同时第一环形件与第二环形件接触面进行冷焊连接。

第一环形件与第二环形件通过冷焊连接后，形成第一原组合件，第一原组合件为加工基本形状，精密的数控机床在第一原组合件进行精加工，即在第一原组合件的环形外侧轴段等间距设置数条环线槽，并形成第一组合件。

进一步的，与第一组合件连接的第三环形件在朝向第二环形件一端圆周均匀设置有多个沿径向延伸的弧形凸部，相邻的弧形凸部之间设置有多个沿径向延伸的第一平顶凸部，弧形凸部与第一平顶凸部均为朝向第一环形件轴线方向的凸起部，并且弧形凸部的轴向凸起高度大于第一平顶凸部的凸起高度。

优选的，第一环形件组合成分至少包含有碳化钨、镍、铬三种成分，该三种成分确保了第一环形件的硬度与耐腐蚀性；第三环形件组合成分至少包含有碳化钨、镍、铬、铜、石墨五种成分，该五种成分确保了第三环形件一定程度的硬度与耐腐蚀性，也确保了第三环形件的自润滑性。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、现有技术中，硬质密封环采用单一材质烧结形成（即高耐磨硬质合金），使得现有硬质密封环通常不具备自润滑能力，同时硬质密封环也难以采用润滑油等润滑物进行润滑，这导致现有硬质密封环缺乏润滑的手段；本发明采用第一环形件中嵌入具备自润滑性的第三环形件（两者之间设置有第二环形件进行过渡），且第一环形件与第三环形件内外径相同，使动态密封环与静态密封环进行密封运转时（动态密封环套设在转轴之上，静态密封环设置在壳体之上，本发明主要应用于动态密封环），本发明能够通过第三环形件进行润滑，并能够通过第一环形件提供足够的硬度（第一环形件的摩擦面远大于第三环形件的摩擦面，保证了本发明密封环的高耐磨性）；

2、本发明第一环形件与第二环形件通过冷焊连接后，形成第一原组合件，第一原组合件为待加工的基体，精密的数控机床在第一原组合件进行精加工，即在第一原组合件的环形外侧轴段等间距设置数条环线槽，并形成第一组合件；本发明密封环运转时，第三环形件中包含的部分石墨与铜会在长期的旋转中产生磨损，磨损过后的碎粒（润滑粒）可以滞留在环线槽之中，提供持续的润滑，延长了密封环的使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本实施例的结构示意图；

图2为图1中A处细节示意图；

图3为图1中B处细节示意图；

图4为第一环形件结构示意图；

图5为第二环形件结构示意图；

图6为第三环形件结构示意图；

图7为第四环形件结构示意图；

图8为第一原组合件示意图；

图9为第一组合件示意图；

图10为本实施例截面示意图；

图11为图10中C处细节示意图。

附图标记所代表的为：1-第一环形件，2-第二环形件，3-第三环形件，4-第四环形件，5-第二平顶凸部，6-弧形凸部，7-第一平顶凸部，8-弧形凹槽，9-第一平底凹槽，10-弧形拱部，11-平顶拱部，12-环线槽，13-第一原组合件，14-第一组合件，15-第二平底凹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本优选实施例的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1至图11所示，本实施例涉及一种组合式密封环，包括第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3以及第四环形件4，第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3、第四环形件4内外径相同且同轴线设置，其中，第一环形件1与第二环形件2固定连接，第二环形件2与第三环形件3固定连接，第三环形件3与第四环形件4固定连接。

第一环形件1对应还设置有异形结构，其在远离平面端的另一端圆周均匀设置有多个沿径向延伸的弧形凹槽8，相邻的弧形凹槽8之间还设置有沿径向延伸的第一平底凹槽9，弧形凹槽8与第一平底凹槽9均为朝向第一环形件1轴线方向的凹槽，并且弧形凹槽8的轴向深度大于第一平底凹槽9的轴向深度，弧形凹槽8深于第一平底凹槽9也使得第一环形件1在弧形凹槽8位置结构薄弱，在嵌合后续结构后，该处的内部应力可能使得第一环形件1崩裂，因此实施例第一环形件1的弧形凹槽8并未设置成平底，或者几何（平底）类型的凹槽，使该位置的嵌合结构（第二环形件2与第三环形件3）对第一环形件1的应力避免朝几个面集中（几何面），从而挤碎第一环形件1，同时弧形凹槽8由于第三环形件3润环轴段的需求，需要一定的深度，因此弧形凹槽8需要具备较高的深度，第一环形件1的第一平底凹槽9深度低于弧形凹槽8的设计，一是使第一环形件1结构强度更高，能够克服嵌合结构（第二环形件2与第三环形件3）带来的应力，二是通过平底的设计使嵌合结构的冷焊强度更高（实际生产过程中，平面的冷焊强度优于曲面，曲面可能存在加工精度问题，其冷焊结合面弱于平面），使实施例密封环（冷焊组合结构）具备足够的结构强度。

第二环形件2对应第一环形件1的弧形凹槽8以及第一平底凹槽9设置有与其嵌合的异形结构，其在朝向第一环形件1一端圆周均匀设置有多个沿径向延伸的弧形拱部10，弧形拱部10与弧形凹槽8数量相同，并且弧形拱部10一一对应第一环形件1的弧形凹槽8嵌合设置，相邻的弧形拱部10之间设置有多个沿径向延伸的平顶拱部11，平顶拱部11与第一平底凹槽9数量相同，并且平顶拱部11一一对应第一环形件1的平顶凹槽嵌合设置，弧形拱部10与平顶拱部11均为朝向第一环形件1轴线方向的拱起部，弧形拱部10的轴向拱起高度大于平顶拱部11的拱起高度，弧形拱部10与平顶拱部11分别嵌合连接到第一环形件1的弧形凹槽8与第一平底凹槽9之中，同时第一环形件1与第二环形件2接触面进行冷焊连接。

同时，实施例制造过程中，第一环形件1与第二环形件2通过冷焊连接后，形成第一原组合件13（见图8），第一原组合件13为加工基本形状，接着使用精密的数控机床在第一原组合件13进行精加工，即在第一原组合件13的环形外侧轴段等间距设置数条环线槽12，值得一提的是，环线槽12的精度可以为毫米级也可以为丝级，环线槽12的精度（尺寸）及其环形槽在轴段上的数量不受限制；第一原组合件13进行环线槽12加工后再进行表面处理，抛光和清洗，以提高密封环的表面质量和耐腐蚀性，并为与第三环形件3的冷焊做好设置，第一原组合件13加工完成后形成第一组合件14（见图9）。

第三环形件3则对应第一组合件14设置有与其嵌合并冷焊的结构，其在朝向第二环形件2一端圆周均匀设置有多个沿径向延伸的弧形凸部6，弧形凸部6的数量与第二环形件2的弧形拱部10的数量一致，并且两者位置一一对应，弧形凸部6能够嵌合设置到弧形拱部10的之中，相邻的弧形凸部6之间设置有多个沿径向延伸的第一平顶凸部7，第一平顶凸部7与第二环形件2的平顶拱部11数量一致，并且两者位置一一对应，第一平顶凸部7能够嵌合设置到平顶拱部11之中，弧形凸部6与第一平顶凸部7均为朝向第一环形件1轴线方向的凸起部，并且弧形凸部6的轴向凸起高度大于第一平顶凸部7的凸起高度，使第三环形件3的弧形凸部6和第一平顶凸部7能够与第二环形件2的弧形拱部10和平顶拱部11嵌合。

实施例中，第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3以及第四环形件4依次嵌合并冷焊连接形成密封环，同时由于各相互连接的环形件的配方各不相同，因此其相互连接的各环形件的热膨胀系数存在差异，实施例中的第一环形件1的热膨胀系数小于第二环形件2的热膨胀系数，第二环形件2的热膨胀系数小于第三环形件3的热膨胀系数，其中第二环形件2充当第一环形件1与第三环形件3的过渡件，避免第三环形件3与第一环形件1之间存在较大的热膨胀系数差异连接位置，防止直接将第一环形件1与第三环形件3冷焊到一起，使密封环在不同的温度环境下内部应力变化剧烈，导致密封环碎裂（第一环形件1为耐腐蚀、高硬度的调和比例，其热膨胀系数较低，而在第三环形件3中的铜、石墨等组分热膨胀系数较高，致使第三环形件3的热膨胀系数较高，第二环形件2通过调整镍的比例，使第二环形件2的热膨胀系数介于第一环形件1和第三环形件3之间）。

第四环形件4则对应第三环形件3设置有异构体，其在朝向第三环形件3一端圆周均匀设置有多个沿径向延伸的第二平顶凸部5，第二平顶凸部5为朝向第一环形件1轴线方向的凸起部，第三环形件3对应第四环形件4的第二平顶凸部5设置有第二平底凹槽15，第二平底凹槽15与第二平顶凸部5的数量一致，并且两者位置一一对应，第二平底凹槽15与第二平顶凸部5嵌合设置。

第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3与第四环形件4依次进行嵌合，在温度升高时，第一环形件1由于其较低的热膨胀系数相对膨胀较少，而第三环形件3则因热膨胀系数较高而展现出更大的膨胀（内部设置有带有润滑性的材料铜、石墨热膨胀系数较高，使整体的热膨胀系数上升），而作为过渡件的第二环形件2的膨胀介于第一环形件1与第三环形件3之间，这样的差异性膨胀可以有效地减少因各环件间热膨胀不一致所产生的内部机械应力，从而防止材料疲劳或断裂；此外，第二环形件2的过渡连接设计还有助于维护结构在热环境下的整体完整性，在不同的温度情况下保持各环形件之间的紧密结合，这种结构设计能够确保设备在面对广泛的温度波动时，能够保持稳定的性能和较长的使用寿命，减少维护成本和潜在的安全风险。

在实施例组合式密封环中，第三环形件3用于润滑密封环的摩擦环境，而现有技术环境，硬质合金摩擦副（密封环）通常应用于严苛的工况环境中，缺乏对应的润滑设置，使得现有技术的密封环通常在严重磨损后才进行替换，但是部分应用，例如核工业的泵密封、石油泵密封应用环境中，密封环的替换维护成本太高，因此现有技术缺乏自润滑密封环，实施例的第三环形件3作用润环环，嵌合设置到实施例的密封环之中，使实施例具备了自润滑能力。

作为一种优选实施例，第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3以及第四环形件4均采用各自配方的金属混粉压铸并烧结形成，其中，第一环形件1主要提供实施例密封环的硬度和耐腐蚀性（其设置于与流体接触的一侧），第三环形件3主要提供润滑性，第二环形件2主要作为过渡件（减少应力的影响），第四环形件4防止第三环形件3被腐蚀（其设置于远离流体一侧，因此腐蚀环境没有第一环形件1的环境严苛），值得一提的是，实施例组分比例仅为优选实施比例，具体实施比例可以对应不同的生产环境进行调节，例如高温环境、高压环境等，实施例的第一环形件1各组分质量按份数计见下表：

第一环形件1轴向一端为平面，该平面端为与液体接触的一面，该面的腐蚀环境在实施例的工作环境中最为恶劣，因此第一环形件1的配方中，耐腐蚀性能较差的镍整体比例较少（相较于第二环形件2的镍比例和第三环形件3中的镍、铜等易腐蚀材质的相对比例），第一环形件1的各组分作用如下：

碳化钨作为主要的硬质相,提供了合金的高硬度和耐磨性能基础；镍作为粘结相,起到了结合碳化物颗粒的作用，同时确保合金的韧性；铬提高合金的耐腐蚀性和氧化性能，同时也有助于微观组织的细化,进一步提高硬度和强度；碳化钛可以细化碳化物颗粒,进一步提高合金的硬度和强度；也有助于提高合金的耐热性能，增加实施例密封环在散热环境的适应能力；钴有助于改善合金的耐磨损性即第一环形件的硬度，但是由于钴的耐腐蚀性低于镍，因此钴的用量较低，较少其对在对第一环形件耐腐蚀性的影响程度；同时钴基可以提高合金的耐高温强度；碳化钒可以细化组织结构,提高合金的硬度和韧性，现有技术的硬质合金的密封环硬度较高，但其容易碎裂，加入碳化钒改善第一环形件的韧性，提升第一环形件的延展性；同时碳化钒能够提高合金的高温强度和耐热性能。

实施例中，第二环形件2与第四环形件4的配方相同，其各组分及其质量按份数计见下表：

同时其各组分的作用与第一环形件1的相同组分作用相同，值得一提的是，第二环形件2与第四环形件4中的镍粉比例远大于第一环形件1的镍粉比例，镍粉的比例大，使得第二环形件2的韧性大于第一环形件1，其硬度及其耐腐蚀性能弱于第一环形件1。

同时，用于润滑作用的第三环形件3各组分及其质量按份数计见下表：

第三环形件3配方各组分相较于第二环形件2的配方各组分，相同的组分作用一致，第三环形件3相较于第二环形件2配方增设了铜粉和石墨粉（铜和石墨均具有润滑性），在第三环形件3的配方中，铜与石墨的混入并烧结过后会使第三环形件3具备一定的铜石墨合金的特性（铜石墨具备较强的润滑性与导热性，并且韧性良好，其在电力领域，例如电刷、集电环方面有成熟应用），使实施例密封环具备良好的导热性，同时混入较多的铜粉可以抑制在烧结过程中石墨与镍的碳化反应，同时也确保铜与镍以及其他多种成分混合烧结合金化后能够一定程度保留铜的自润滑性（实施例各环形件均在还原气氛下烧结），保留石墨的原始特性（润滑性）。

第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3以及第四环形件4的各组分（合金材质的热膨胀系数难以测量，可以使用对应组分计算一个粗略参考值用作比较）在室温下的热膨胀系数（见下表粗略值）：

其中，石墨的热膨胀系数在不同方向上有很大差异，因此取石墨一个平均值，同时说明书当中的“K”为开尔文。

第一环形件1、第二环形件2、第三环形件3与第四环形件4各组分及其比例不同，实施例通过线性加权计算得到粗略的热膨胀系数参考值见下表：

值得一提的是，实施例各环形件的热膨胀系数估算值由其组成材料热膨胀系数的加权平均计算得到，权重为各组成部分的体积分数；在实际应用中，由于各环形件中各组分之间的相互作用，这个计算值仅可作为一个粗略估计；实际的热膨胀系数还受到制备过程、材料的微观结构、温度和各环形件合金相的分布等多种因素的影响；对于各环形件中的每种组成材料，我们计算其在合金中的体积份额，并将其乘以该材料的热膨胀系数来估算其对整个合金热膨胀行为的贡献；这是一个加权平均的过程，目的是得到整个合金的总热膨胀系数；具体计算步骤如下：

S1，计算每种材料的体积份额：已知每种材料的质量和密度（各种材料的质量和密度已知），可以计算出每种材料占用的体积；

S2，确定体积分数：计算每种材料的体积相对于合金总体积的比例（体积分数），通过S1中计算得到的体积除以合金中所有材料体积的总和得到；

S3，计算合金的总热膨胀系数：每种材料的热膨胀系数与其体积分数相乘，然后对所有材料求和，得到整个合金的热膨胀系数。

这个过程中，体积乘以热膨胀系数的步骤是为了计算每种材料对合金整体热膨胀性质的贡献程度；合金的总热膨胀系数是其组成材料的热膨胀系数按照各自的体积分数加权平均的结果；这种计算是建立在假设材料间的热膨胀独立性的基础上，即认为每种材料的热膨胀行为在合金中不受其他材料的影响；在实际应用中，这只是一个近似估计，因为合金中的组分间可能存在相互作用影响其热膨胀行为。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种组合式密封环，包括第一环形件（1）、第二环形件（2）、第三环形件（3）以及第四环形件（4），其特征在于，第一环形件（1）、第二环形件（2）、第三环形件（3）、第四环形件（4）内外径相同且同轴线设置，其中，第一环形件（1）与第二环形件（2）固定连接，第二环形件（2）与第三环形件（3）固定连接，第三环形件（3）与第四环形件（4）固定连接；第一环形件（1）朝向第二环形件（2）的一端环绕设置有多个弧形凹槽（8）与第一平底凹槽（9）；第二环形件（2）朝向第一环形件（1）的一端环绕设置有多个弧形拱部（10）与平顶拱部（11）；第三环形件（3）朝向第二环形件（2）的一端环绕设置有多个弧形凸部（6）与第一平顶凸部（7），且其朝向第四环形件（4）的一端环绕设置有多个第二平底凹槽（15）；第四环形件（4）朝向第三环形件（3）的一端环绕设置有多个第二平顶凸部（5）； 第一环形件（1）与第二环形件（2）连接形成第一原组合件（13），第一原组合件（13）的环形外侧轴段等间距设置有数条环线槽（12）； 第一环形件（1）的莫氏硬度大于第三环形件（3），第三环形件（3）具备自润滑性；

第一环形件（1）的弧形凹槽（8）沿径向延伸，相邻的弧形凹槽（8）之间设置有沿径向延伸的第一平底凹槽（9）；

第二环形件（2）的弧形拱部（10）沿径向延伸，弧形拱部（10）与弧形凹槽（8）数量相同，弧形拱部（10）与弧形凹槽（8）一一对应并嵌合设置，相邻的弧形拱部（10）之间设置有沿径向延伸的平顶拱部（11），平顶拱部（11）与第一平底凹槽（9）数量相同，平顶拱部（11）与第一平底凹槽（9）一一对应并嵌合设置；

第三环形件（3）的弧形凸部（6）沿径向延伸，弧形拱部（10）与弧形凸部（6）数量相同，弧形拱部（10）的凹陷侧与弧形凸部（6）一一对应并嵌合设置，相邻的弧形凸部（6）之间设置有沿径向延伸的第一平顶凸部（7），平顶拱部（11）的凹陷侧与第一平顶凸部（7）数量相同，平顶拱部（11）的凹陷侧与第一平顶凸部（7）一一对应并嵌合设置；

第四环形件（4）的第二平顶凸部（5）沿径向延伸；

第三环形件（3）朝向第四环形件（4）的一端环绕设置有多个第二平底凹槽（15），第三环形件（3）的第二平底凹槽（15）沿径向延伸，第二平底凹槽（15）与所述第二平顶凸部（5）数量相同，第二平底凹槽（15）与第二平顶凸部（5）一一对应并嵌合设置。

2.如权利要求1所述的一种组合式密封环，其特征在于，第一环形件（1）轴向一端为平面，且其另一端设置的弧形凹槽（8）与第一平底凹槽（9）为朝向与第一环形件（1）轴线方向一致的凹槽，并且弧形凹槽（8）的轴向深度大于第一平底凹槽（9）的轴向深度。

3.如权利要求1所述的一种组合式密封环，其特征在于，第二环形件（2）的弧形拱部（10）与平顶拱部（11）为朝向与第一环形件（1）轴线方向一致的拱起部，弧形拱部（10）的轴向拱起高度大于平顶拱部（11）的拱起高度。

4.如权利要求1所述的一种组合式密封环，其特征在于，第三环形件（3）的弧形凸部（6）与第一平顶凸部（7）为朝向与第一环形件（1）轴线方向一致的凸起部，并且弧形凸部（6）的轴向凸起高度大于第一平顶凸部（7）的凸起高度。

5.如权利要求1所述的一种组合式密封环，其特征在于，第四环形件（4）的第二平顶凸部（5）为朝向与第一环形件（1）轴线方向一致的凸起部。

6.如权利要求1所述的一种组合式密封环，其特征在于，第三环形件（3）的第二平底凹槽（15）为朝向与第一环形件（1）轴线方向一致的凹槽。