一种背压式超高压密封结构及其使用方法与流程

1.本发明涉及一种背压式超高压密封结构及其使用方法，应用于航天产品做液气压试验，特别是壳体类零件做高压和超高压试验时的密封，属于密封技术领域。


背景技术：

2.除材料本身的缺陷外，金属零件在制造和使用中会产生各种缺陷，为考核缺陷对金属零件安全性的影响，金属零件制成后需要进行耐压试验。对一些壳体类零件耐压试验时，零件的密封是必不可少的。但有时会受到空间或结构的限制，金属零件上的螺纹孔强度不足以承受耐压试验的全部受力，需要借助其他地方共同承担耐压试验所产生的应力。要想不损伤金属零件的螺纹孔，并且还能够实现有效密封，目前采用的方法主要是增大零件上的螺纹孔直径，从而使用更粗的螺栓进行连接；或者改变金属零件的材料，使用更高强度的材料，从而达到可靠的密封效果。而这两种方法均对产品进行了更改，导致产品不合格或不满足使用条件。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种背压式超高压密封结构及其使用方法，能够避免损伤金属零件的螺纹孔，并且还可以在不改变金属零件的材料的情况下实现可靠密封。
4.本发明的上述目的是通过如下方案实现的：
5.一种背压式超高压密封结构，包括中心堵盖、螺母、压环、上堵盖、外圈螺栓、大端螺栓；
6.中心堵盖由法兰和芯轴焊接而成，中心堵盖插入产品壳体中，法兰与产品壳体通过大端螺栓固连，上堵盖位于法兰顶端，上堵盖通过外圈螺栓固定在产品壳体的外圈螺栓孔上；
7.中心堵盖和产品壳体之间形成高压腔；法兰和产品壳体之间设置有两道径向密封结构，以实现对高压腔大端的密封；
8.芯轴下端和产品壳体之间设置有芯轴密封结构，压环套在芯轴上，压环在螺母的挤压下压紧所述芯轴密封结构，实现对高压腔小端的密封；压环通过若干螺栓与产品壳体固连；
9.上堵盖下端面设置有台阶，安装到位后上堵盖和中心堵盖之间形成辅助腔；上堵盖台阶外圈和中心堵盖之间设置有辅助腔密封结构；上堵盖上开有两个通孔，所述通孔与辅助腔连通，通孔顶端通过接管嘴与外部管路连接。
10.优选的，法兰上设置有两道环槽，每道环槽中放置有一道径向密封结构，每道径向密封均由一个第二o型圈和一个第二挡圈组成。
11.优选的，所述芯轴密封结构包括一个第一挡圈和两个第一o型圈，第一挡圈位于两个第一o型圈之间；
12.芯轴与压环配合，通过拧紧螺母使得芯轴压紧第一o型圈和第一挡圈，从而建立初始密封，随着压力逐步升高，芯轴上部第一o型圈的密封比压随之增大，第一o型圈向下移动挤压第一挡圈的同时进一步压紧下部的第一o型圈，以此实现对高压腔小端的密封。
13.优选的，辅助腔密封结构通过一个辅助挡圈和辅助o型圈实现。
14.优选的，上堵盖下端面台阶深度为1～3mm。
15.优选的，上堵盖上一个接管嘴用于给辅助腔充入一定压力的液体，另一个接管嘴用于将辅助腔内的空气排除，以便将液体更容易充入。
16.优选的，所述上堵盖与中心堵盖之间属于非刚性接触，通过合理调节高压腔和辅助腔之间的压力，能够将高压腔大端螺纹孔所受的力定量地传递到产品外圈螺栓上。
17.一种背压式超高压密封结构的使用方法，包括：
18.s1在中心堵盖法兰上的两个环槽内分别放置一道径向密封结构；
19.s2将中心堵盖装入到产品壳体内，用大端螺栓将中心堵盖固定在产品壳体上；
20.s3将第一o型圈、第一挡环、第一o型圈、压环按顺序套在高压壳体内的中心堵盖芯轴上，用螺栓将压环与产品壳体固定，并将螺母拧在芯轴上；
21.s4在上堵盖台阶两侧的凹槽内放置辅助腔密封结构，上堵盖通过外圈螺栓固定在产品壳体的外圈螺栓孔上，在中心堵盖上端面和上堵盖下端面之间形成辅助腔；
22.s5对高压腔和辅助腔同时加压，压力作用下辅助腔内液体对中心堵盖施加向下的作用力，以此来抵消高压腔升压过程中中心堵盖受到的向上的作用力，减轻高压腔上大端螺栓的受力从而起到辅助支撑的作用，同时，辅助腔内液体对上堵盖的作用力通过产品壳体上的外圈螺栓分解，确保高压腔液压试验过程中产品壳体结构的安全性以及密封有效性。
23.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
24.(1)本发明在中心堵盖与上堵盖之间设置密封腔可将中心堵盖的受力定量传递到上堵盖上，有效减小了高压腔内压力作用下中心堵盖的受力，可以协调高压腔大端和产品外圈螺栓的受力。确保高压腔在液压试验过程中结构的安全性以及密封的有效性。
25.(2)本发明上堵盖和中心堵盖的接触属于非刚性接触，可以避免由于二者结构差异、螺栓预紧力差异等影响而导致大端螺栓和外圈螺栓的受力不协调，即高压腔大端螺栓承受巨大的作用力而壳体外圈螺栓还未受力的情况，避免了大端螺栓受力过大而导致结构破坏。
26.(3)本发明中上堵盖对中心堵盖的限位作用增加了中心堵盖的刚度，提高了中心堵盖的安全性。
附图说明
27.图1为本发明背压式超高压密封结构的装配剖视图；
28.图2为本发明的中心堵盖结构示意图；
29.图3为本发明上堵盖的结构示意图；
30.图4为本发明辅助腔的局部示意图；
31.图5为本发明高压腔大端密封的局部示意图；
32.图6为本发明高压腔小端密封的局部示意图。
具体实施方式
33.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
34.本发明克服现有技术中密封结构性能不可靠的问题，提供一种密封可靠，拆卸简单、可定量传力的背压式超高压密封结构。
35.如图1-6所示，本发明背压式超高压密封结构，包括中心堵盖1、螺母2、第一挡圈3、第一o型圈4、压环5、第二挡圈6、第二o型圈7、上堵盖8、外圈螺栓9、大端螺栓10、辅助挡圈11、辅助o型圈12。
36.如图2所示，中心堵盖1由法兰101和芯轴102焊接而成，中心堵盖1插入产品壳体中，法兰101与产品壳体通过大端螺栓10固连，上堵盖8位于法兰101顶端，上堵盖8通过外圈螺栓9固定在产品壳体的外圈螺栓孔上。
37.中心堵盖1和产品壳体之间形成高压腔；法兰上设置有两道环槽，每道环槽中放置有一道径向密封结构，每道径向密封均由一个第二o型圈7和一个第二挡圈6组成，以此实现对高压腔大端的密封，如图5所示。
38.芯轴102下端和产品壳体之间设置有芯轴密封结构，压环5套在芯轴102上，压环5在螺母2的挤压下压紧所述芯轴密封结构，实现对高压腔小端的密封；芯轴密封结构包括一个第一挡圈3和两个第一o型圈4，第一挡圈3位于两个第一o型圈4之间，芯轴102与压环5配合，通过拧紧螺母2使得芯轴102压紧第一o型圈4和第一挡圈3，从而建立初始密封，随着压力逐步升高，芯轴102上部第一o型圈4的密封比压随之增大，第一o型圈4向下移动挤压第一挡圈3的同时进一步压紧下部的第一o型圈4，以此实现对高压腔小端的密封，如图6所示。
39.上堵盖8下端面设置有台阶，台阶深度为1～3mm。安装到位后上堵盖8和中心堵盖1之间形成辅助腔14；上堵盖台阶两侧分别加工有凹槽，凹槽中设置有辅助腔密封结构，辅助腔密封结构通过一个辅助挡圈11和辅助o型圈12实现，如图4所示。上堵盖8的本体801上开有两个通孔，所述通孔与辅助腔连通，通孔顶端通过接管嘴802与外部管路连接。如图3所示。
40.辅助挡圈的宽度与凹槽的深度相等。上堵盖与产品壳体固定后，正好将辅助o型圈压紧在中心堵盖上端面上，用于实现辅助腔的密封。加压时，液体首先经过辅助o型圈，辅助o型圈被挤压后，将压力传递给辅助挡圈，辅助挡圈在压力的作用下发生弹性变形，填充了上堵盖和中心堵盖之间的间隙，有效防止了辅助o型圈被挤入装配间隙而发生压溃，从而导致密封失效。
41.上堵盖上一个接管嘴用于给辅助腔充入一定压力的液体，另一个接管嘴用于将辅助腔内的空气排除，以便将液体更容易充入。
42.使用时，首先将两组第二o型圈、第二挡圈分别套在中心堵盖法兰上的两个环槽内；将中心堵盖装入到高压壳体内，用大端螺栓将中心堵盖固定在产品上；然后将第一o型圈、第一挡圈、第一o型圈、压环按顺序装入高压腔壳体内，用螺栓将压环与产品固定，并将大螺母拧在芯轴上，形成预压缩；在将辅助o型圈、辅助挡圈和上堵盖用外圈螺栓固定在产品的外圈螺栓孔上，在中心堵盖上端面和上堵盖下端面之间形成辅助腔；最后对高压腔和辅助腔同时加压，根据高压腔和辅助腔之间的压力差可以将中心堵盖的受力定量传递到上堵盖上。
43.具体地，本发明一种背压式超高压密封结构的使用方法，包括如下步骤：
44.s1在中心堵盖法兰上的两个环槽内分别放置一道径向密封结构；
45.s2将中心堵盖装入到产品壳体内，用大端螺栓将中心堵盖固定在产品壳体上；
46.s3将第一o型圈、第一挡环、第一o型圈、压环按顺序套在高压壳体内的中心堵盖芯轴上，用螺栓将压环与产品壳体固定，并将螺母拧在芯轴上；
47.s4在上堵盖台阶两侧的凹槽内放置辅助腔密封结构，上堵盖通过外圈螺栓固定在产品壳体的外圈螺栓孔上，在中心堵盖上端面和上堵盖下端面之间形成辅助腔；
48.s5对高压腔13和辅助腔14同时加压，压力作用下辅助腔14内液体对中心堵盖1施加向下的作用力，以此来抵消高压腔13升压过程中中心堵盖1受到的向上的作用力，减轻高压腔13上大端螺栓10的受力从而起到辅助支撑的作用，同时，辅助腔14内液体对上堵盖8的作用力通过产品壳体上的外圈螺栓9分解，确保高压腔液压试验过程中产品壳体结构的安全性以及密封有效性。
49.中心堵盖承受的压力通过上堵盖传递到外圈螺栓上，大大减轻了高压腔大端螺栓的受力，同时上堵盖对中心堵盖的限位作用增加了中心堵盖的刚度，提高了中心堵盖的安全性。
50.本发明可以定量地将高压壳体大端螺纹孔的力传递到外圈螺纹孔上，下面举例说明。
51.高压腔大端口径为260mm，小端口径为42mm。壳体外圈圆周均布30个规格为m18的螺纹孔，高压腔大端圆周均布20个规格为m18的螺纹孔，高压腔的压力为92mpa，不加上堵盖的情况下，高压腔大端螺栓的平均受力为
[0052][0053]
其中：s—高压腔内压力作用面积，mm2；p—高压腔试验压力，mpa；n—高压腔大端螺栓数量。
[0054]
采用上堵盖后，辅助腔内通入一定压力的液体，要使高压腔大端螺栓和壳体外圈螺栓所受力达到最小，则应为两种螺栓受同样大小的力，此时辅助腔中的受力为
[0055][0056]f总
——不加上堵盖时，中心堵盖受到的力，n；
[0057][0058]
辅助腔的密封直径为237mm，此时辅助腔内充液压力对上堵盖的作用力为
[0059]
f2＝s2·
p2[0060]
即：
[0061][0062]
其中，s2——辅助腔的受压面积，mm2；p2——辅助腔内的压力，mpa；d2——辅助腔
的密封直径，mm。
[0063]
由此可知，当高压腔内压力达到92mpa时，将辅助腔内压力升至64.7mpa，此时高压腔大端螺栓和壳体外圈螺栓的受力相等，计算得到50个螺栓平均受力
[0064][0065]
可见，使用上堵盖之后，单个螺栓的受力降低了59.9％。
[0066]
同理，通过调节辅助腔的压力，可以定量地控制高压壳体大端螺纹孔和外圈螺纹孔的受力，是一种定量传递力的密封结构。
[0067]
本发明通过调节辅助腔的压力，可将中心堵盖的受力定量传递到上堵盖上，有效减小了高压腔内压力作用下中心堵盖的受力，是一种密封可靠，拆卸简单、可定量传力的超高压密封结构。
[0068]
本发明提出了一种背压式超高压密封结构，能够避免损伤金属零件的螺纹孔，并且还可以在不改变金属零件的材料的情况下实现可靠密封。
[0069]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0070]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种背压式超高压密封结构，其特征在于，包括中心堵盖(1)、螺母(2)、压环(5)、上堵盖(8)、外圈螺栓(9)、大端螺栓(10)；中心堵盖(1)由法兰(101)和芯轴(102)焊接而成，中心堵盖(1)插入产品壳体中，法兰(101)与产品壳体通过大端螺栓(10)固连，上堵盖(8)位于法兰(101)顶端，上堵盖(8)通过外圈螺栓(9)固定在产品壳体的外圈螺栓孔上；中心堵盖(1)和产品壳体之间形成高压腔(13)；法兰(101)和产品壳体之间设置有两道径向密封结构，以实现对高压腔大端的密封；芯轴(102)下端和产品壳体之间设置有芯轴密封结构，压环(5)套在芯轴(102)上，压环(5)在螺母(2)的挤压下压紧所述芯轴密封结构，实现对高压腔小端的密封；压环(5)通过若干螺栓与产品壳体固连；上堵盖(8)下端面设置有台阶，安装到位后上堵盖(8)和中心堵盖(1)之间形成辅助腔(14)；上堵盖台阶外圈和中心堵盖(1)之间设置有辅助腔密封结构；上堵盖(8)上开有两个通孔，所述通孔与辅助腔连通，通孔顶端通过接管嘴(802)与外部管路连接。2.根据权利要求1所述的一种背压式超高压密封结构，其特征在于，法兰上设置有两道环槽，每道环槽中放置有一道径向密封结构，每道径向密封均由一个第二o型圈(7)和一个第二挡圈(6)组成。3.根据权利要求1所述的一种背压式超高压密封结构，其特征在于，所述芯轴密封结构包括一个第一挡圈(3)和两个第一o型圈(4)，第一挡圈(3)位于两个第一o型圈(4)之间；芯轴(102)与压环(5)配合，通过拧紧螺母(2)使得芯轴(102)压紧第一o型圈(4)和第一挡圈(3)，从而建立初始密封，随着压力逐步升高，芯轴(102)上部第一o型圈(4)的密封比压随之增大，第一o型圈(4)向下移动挤压第一挡圈(3)的同时进一步压紧下部的第一o型圈(4)，以此实现对高压腔小端的密封。4.根据权利要求1所述的一种背压式超高压密封结构，其特征在于，辅助腔密封结构通过一个辅助挡圈(11)和辅助o型圈(12)实现。5.根据权利要求1所述的一种背压式超高压密封结构，其特征在于，上堵盖(8)下端面台阶深度为1～3mm。6.根据权利要求1所述的一种背压式超高压密封结构，其特征在于，上堵盖(8)上一个接管嘴用于给辅助腔充入一定压力的液体，另一个接管嘴用于将辅助腔内的空气排除，以便将液体更容易充入。7.根据权利要求1所述的一种背压式超高压密封结构，其特征在于，所述上堵盖(8)与中心堵盖(1)之间属于非刚性接触，通过合理调节高压腔(13)和辅助腔(14)之间的压力，能够将高压腔大端螺纹孔所受的力定量地传递到产品外圈螺栓(9)上。8.一种背压式超高压密封结构的使用方法，其特征在于，包括：s1在中心堵盖法兰上的两个环槽内分别放置一道径向密封结构；s2将中心堵盖装入到产品壳体内，用大端螺栓将中心堵盖固定在产品壳体上；s3将第一o型圈、第一挡环、第一o型圈、压环按顺序套在高压壳体内的中心堵盖芯轴上，用螺栓将压环与产品壳体固定，并将螺母拧在芯轴上；s4在上堵盖台阶两侧的凹槽内放置辅助腔密封结构，上堵盖通过外圈螺栓固定在产品壳体的外圈螺栓孔上，在中心堵盖上端面和上堵盖下端面之间形成辅助腔；
s5对高压腔(13)和辅助腔(14)同时加压，压力作用下辅助腔(14)内液体对中心堵盖(1)施加向下的作用力，以此来抵消高压腔(13)升压过程中中心堵盖(1)受到的向上的作用力，减轻高压腔(13)上大端螺栓(10)的受力从而起到辅助支撑的作用，同时，辅助腔(14)内液体对上堵盖(8)的作用力通过产品壳体上的外圈螺栓(9)分解，确保高压腔液压试验过程中产品壳体结构的安全性以及密封有效性。

技术总结
本发明公开了一种背压式超高压密封结构及其使用方法，将中心堵盖装入产品壳体内，用螺栓将其固定在产品的端面上，形成两道径向密封，实现产品高压腔大端密封；在其对面安装芯轴密封结构和压环，用螺栓将压环与产品小端固定，并将大螺母拧在芯轴上，实现产品高压腔小端密封。然后将上堵盖、辅助O型圈和辅助挡圈用螺栓装在产品外圈的法兰上，在中心堵盖上端面形成辅助腔。使用时，对高压腔和辅助腔同时加压，通过调节辅助腔的压力，可将中心堵盖的受力定量传递到上堵盖上，有效减小了高压腔内压力作用下中心堵盖的受力，是一种密封可靠，拆卸简单、可定量传力的超高压密封结构。可定量传力的超高压密封结构。可定量传力的超高压密封结构。


技术研发人员：邱伟真 范文强 许静 许桐晔 杨波 杜疆 张文强
受保护的技术使用者：西安航天发动机有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/10/8