CN101832391A

CN101832391A - 一种机械式密封装置

Info

Publication number: CN101832391A
Application number: CN 201010175104
Authority: CN
Inventors: 迟永滨
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明公开了一种机械式密封装置，包括密封环和两个挡环；密封环和挡环为空心环状结构，密封环位于两个挡环之间，两个挡环的内侧端面距离大于密封环宽度0.2～1mm，密封环的内径表面与轴表面之间设有0.005～0.02mm的密封间隙，构成密封摩擦副；密封环的端面至少与两个挡环中的一个挡环端面贴合构成密封摩擦副，密封环的外径表面与壳体内径表面有0.2～1mm的间隙，轴与挡环内径表面有0.2～1mm的间隙。本发明结构简单、体积小，通过径向间隙密封形式和端面密封形式的结合，可以自动适应轴的径向和轴向跳动，当径向密封阻力较大时可以自动转换为端面密封形式，摩擦阻力小，消耗能量少，适用于允许有轻微泄漏的场合。

Description

一种机械式密封装置

技术领域

本发明涉及机械密封领域，特别是涉及高速高压条件下的机械式密封装置。

背景技术

高功率密度是现代动力传动结构的主要发展方向之一，实现高功率密度的主要途径是提高转速、压力和减小体积，由此对轴密封pv值提出了更高要求。

目前市场上的密封件大多采用橡胶、聚氨酯、硅胶等软质弹性材料。由于机械传动件的加工精度或轴承精度等原因轴旋转时轴表面会有一定的跳动量，当采用这种软质弹性材料做密封件时可以采用径向密封方式直接将轴表面作为摩擦密封面，软质弹性材料可以自动补偿轴的跳动和材料的一定量的磨损。但是在高速高压条件下工作时摩擦副表面会瞬间产生高温，普通的软质弹性材料(例如橡胶及其它工程塑料高分子聚合物材料等)会因摩擦面产生高温很快使材料烧毁。这种情况下，只有采用机械式密封。

机械式密封是指用于密封的摩擦副材料是由硬质的金属及其它耐磨耐高温材料制成。硬质材料的机械式密封一般由静环(与壳体固定在一起)、动环(与轴固定在一起)、弹簧等多个元件构成。由于轴和动环有径向跳动，所以难以采用径向密封方式(动、静环发生跳动干涉)，因此目前市场上的机械式密封主要是端面密封形式，即动环与静环的端面在流体压力和补偿弹力(弹簧力)作用下保持贴合，作相对滑转摩擦运动，动环有径向跳动时可以沿端面滑移。摩擦副端面一般采用耐高温耐磨损材料(例如碳化硅、石墨等)。这种无缝隙贴合形式的机械密封一般需要弹簧压紧和设置轴与动环可以相互轴向移动(轴在旋转时也有轴向跳动)的装置，体积大，不适用于传动结构对密封件体积有严格限制场合。

目前在各种类型的机械式密封中涨圈密封是体积最小的，特别适于对体积有限定要求的场合，也属于端面密封形式，广泛用于航空、车辆动力传动系统。图1(a)所示为涨圈密封环，形状与内燃机活塞环相同。图1(b)所示为应用涨圈密封结构的旋转接头。轴2上加工有安装涨圈1的环槽，位于轴孔流道的两边，涨圈1安装在环槽内，与环槽的侧端面有微小的侧隙，涨圈1在弹性涨力下与箱体3的内孔表面贴合。当密封介质从箱体的流道进入时，涨圈1在液流压力作用下被推动侧移，使涨圈与轴槽外端面贴合，轴转动时，由于涨圈1的外圆表面与箱体3的内圆紧密贴合的摩擦力矩大于轴与涨圈端面之间的摩擦力矩，因此轴转动而涨圈静止，轴与涨圈的端面之间作相对摩擦转动，密封介质被挡住，起到密封作用。实际中，由于涨圈1有开口，为了防止发热膨胀需要保留一定的开口间隙，因此密封介质(流体)有少量从开口处泄漏出去。

涨圈密封的优点是体积小，自动适应轴的径向和轴向跳动，不需要附加的弹簧等结构，布置方便，多用于液压控制系统上，液压油对摩擦面起到一定润滑作用。缺点是涨圈有开口有泄漏，涨圈在较大液体压力下时与轴槽端面产生很大压力，之间产生较大摩擦力矩，很容易磨损，寿命很低，尤其是在高pv值(高转速、高压力下)情况下，由于摩擦阻力会引起较大的动力消耗，产生高温发热。实际中，由于轴的转动伴有微小的轴向串动，导致涨圈在轴向位移时也会相对箱体内孔转动，使箱体孔磨损变大，涨圈开口也随之变大而失效。

机械式密封的发展主要集中在端面密封形式，径向密封很少应用的主要限制因素是：(1)密封环作为静环通常是固定的，轴与密封环的孔表面之间的密封只能是间隙密封(例如液压换向阀的阀杆与阀体之间的配合间隙为0.004左右)，由于间隙小，高速旋转时容易产生粘结磨损；(2)轴转动时有径向跳动，轴与密封环孔之间间隙太小会发生干涉磨损和卡住情况。

近年来，随着新材料和涂层技术的发展，在轴孔间隙很小、高速旋转情况下摩擦副材料之间产生粘接磨损的问题已经可以解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种尺寸小、不易产生高温、动力消耗小的机械式密封装置。

本发明的目的可通过如下技术方案来实现。

一种机械密封装置，包括密封环和两个挡环；密封环和挡环为空心环状结构，轴穿过密封环和挡环的空心，壳体位于轴、密封环和挡环的外周，挡环固定安装在壳体内孔内，挡环外径表面与壳体内孔表面之间为无泄漏装配，密封环位于两个挡环之间，两个挡环的内侧端面距离大于密封环宽度0.2～1mm，密封环的内径表面与轴表面之间设有0.005～0.02mm的密封间隙，构成密封摩擦副；密封环的端面至少与两个挡环中的一个挡环端面贴合构成密封摩擦副，密封环的外径表面与壳体内径表面有0.2～1mm的间隙，轴与挡环内径表面有0.2～1mm的间隙。

为进一步实现本发明目的，所述挡环外侧设有卡簧，使挡环轴向定位。

所述挡环外径表面与壳体内孔表面之间为无泄漏装配是指挡环的外径与壳体内孔采用过盈配合。

本发明和现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)密封环与轴为间隙密封，两者之间接触的作用力小；因此密封的摩擦阻力小，消耗能量少。实验表明在同等条件下动力消耗是涨圈密封的1/4～1/3。

(2)密封环工作时主要是密封环的内圆表面与轴的表面接触摩擦，其受力、发热和变形均匀，不存在轴向的扭曲变形(不同于涨圈摩擦发热引起扭曲变形)。

(3)高速旋转时由于液体动压效应使摩擦副的金属表面直接磨损减小。

(4)与涨圈密封一样都具有占用空间小的特点。

(5)与涨圈密封相比，涨圈密封的轴上需要开槽，使轴产生应力集中，减弱了轴的承载能力，而本发明不需要开槽，提高了轴的强度，同时在光轴表面进行耐磨涂层处理更为容易。

(6)本发明的发明点主要是将径向密封形式和端面密封形式有机地结合在一起，采用简单结构解决了轴径向和轴向跳动可能产生的密封结构干涉磨损，可以采用极小间隙进行密封。

附图说明

图1为涨圈密封结构及其原理示意图。

图2为本发明密封结构及其原理示意图。

图3为本发明实施例1的机械式密封装置结构示意图。

图4为本发明实施例2的机械式密封装置结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合附图对本发明作进一步地说明，需要说明的是，具体实施方式并不是对本发明保护范围的限制。

如图2所示，一种机械式密封装置，包括密封环4和挡环6。密封环4和挡环6为空心环状结构，轴5穿过密封环4和挡环6的空心，壳体7位于轴5、密封环4和挡环6的外周，密封环4位于两个挡环6内端面之间；密封环4的内径表面与轴5表面构成密封摩擦副，密封环4的内径表面与轴5表面之间设有0.005～0.02mm的密封间隙；两个挡环6的内侧端面距离大于密封环宽度0.2～1mm，密封环4可以沿轴向滑移与挡环6的端面贴合构成另一个密封摩擦副(即端面摩擦副)；密封环4的外径表面与壳体7内径表面有0.2～1mm的间隙；轴5与挡环6内径表面有0.2～1mm的间隙；挡环6外径表面与壳体7内孔表面之间为无泄漏的定位装配(图中未显示具体装配方式，可选用挡环的外径与壳体内孔采用过盈配合来实现无泄漏的定位装配，也可选用挡环的外径与壳体之间设置O形密封圈的安装方式，还可选用其它密封定位方式)。该机械式密封装置主要用于对在孔周面内安装有轴的密封壳体与轴之间的被密封流体进行密封。

工作时，例如当壳体内的右侧腔室为密封腔时，液体从右侧经轴5与挡环6之间的缝隙进入密封环4所在空间，由此可以形成对密封环4的推力使密封环4左移，使密封环4左端面与左侧挡环6的内端面贴合构成端面密封摩擦副，轴5与密封环4的内径表面为间隙密封面，因此就阻断了液体的泄漏。当左侧腔室为密封腔时，在液体压力作用下密封环4右移，密封环4右端面与右侧挡环6端面贴合密封。当轴5旋转中产生径向跳动时可以带动密封环4沿端面摩擦面滑移浮动，当轴5旋转中产生轴向跳动时可以沿密封环4的内径表面轴向滑移。当密封介质停止流动时密封环4在轴5的摩擦力带动下空转并使相互贴合的端面脱离。当轴5与密封环4之间的径向摩擦副产生较大转动阻力时，端面摩擦副会打滑，此时密封形式自动转换为端面密封形式。

实施例1

如图3所示，为机械式单密封环密封装置，包括密封环4、挡环6。密封环4和挡环6为空心环状结构，轴5穿过密封环4和挡环6的空心，壳体7位于轴5的外周，壳体7的内孔与轴5之间的空间放置密封环4和挡环6，挡环端面可与密封环4的端面贴合组成密封面；密封环4位于两个挡环6之间。密封环4的内表面与轴5表面设有0.01～0.02mm的间隙，该间隙使得密封环4的内径表面与轴5的表面形成密封摩擦副。密封环4端面和挡环6端面之间设有0.2～0.5mm的间距，可以使密封环4在不工作时可以沿轴向滑动使端面摩擦副脱离开接触以减少摩擦损失，而工作时又不会被卡住可以随轴做径向跳动。挡环6的外侧有卡簧8，使挡环轴向定位，挡环6的外径与壳体7内孔采用过盈配合起到径向定位和密封作用。轴5的与密封环4相摩擦的表面进行类金刚石(DLC)涂层处理，密封环采用CrMoCu合金铸铁硫化处理，高速运转时轴和密封环之间不会产生粘结磨损，壳体7和挡环6均为CrMoCu合金铸铁材料，挡环7的内端面表面进行DLC涂层处理。

工作时，在液流作用下密封环4被推动侧移与挡环6的端面贴合形成端面密封摩擦副，密封环4的外径表面与壳体7内径表面有0.2～1mm的间隙，允许密封环4随着轴5径向跳动时不至于与壳体7产生相互干涉摩擦；挡环6内表面与轴5表面设有0.2～1mm的间隙，使得轴5在径向跳动时避免与挡环6干涉摩擦。

当轴5与密封环4之间摩擦阻力矩大于端面的摩擦阻力矩时，密封环4与挡环6相互贴合的端面会打滑，此时密封形式自动转换为端面密封形式或两者并存的形式。

实施例2

如图4所示，一种高速液压旋转接头，该液压旋转接头内装有本发明的机械式密封装置。液压旋转接头包括两个密封环4、轴5、隔离套9、壳体7和两个挡环6。两个挡环6分别通过螺栓固定在壳体7的两侧，两个挡环6之间形成环槽，两个密封环4和隔离套9位于环槽内，两个密封环4分别位于隔离套9的两侧。

隔离套9实际上就是挡环，分别限位隔开两个密封环4，还有一个作用就是使转动的轴5与固定不动的壳体7上的油路孔接通，隔离套9外径与壳体7内孔为过盈配合，使进入的油液从隔离套9与轴5之间的间隙进入密封环4的腔室从而可以推动密封环4侧移。密封环4介于挡环6和隔离套9的端面之间有0.2～1mm的轴向移动量，当没有液压油进入时密封环4与挡环6的端面摩擦副可以脱开减少摩擦磨损。密封环4的内表面与轴5表面设有0.0050.02mm的间隙，两者构成密封面。隔离套9和挡环6的内径表面与轴5的外径表面之间有0.2～1mm间隙，密封环4外径表面与壳体7内径表面之间有0.2～1mm间隙，当轴5有一定的径向跳动时可以避免轴5表面与隔离套9和挡环6的内径表面干涉摩擦，以及密封环4的外径表面与壳体7内径表面干涉摩擦。轴5的与密封环4相摩擦的表面进行类金刚石(DLC)涂层处理，密封环采用CrMoCu合金铸铁表面喷涂二硫化钼(MoS₂)固体润滑涂层，壳体7和挡环6均为CrMoCu合金铸铁材料，挡环6的内端面进行类金刚石(DLC)涂层处理。

工作时，液压油由壳体7的进油孔进入，经隔离套9进入轴5的进油孔并流向工作位置，同时液压油也进入两侧的密封环所在空间，两个密封环4在液流推力作用下向两侧移动与挡环6的端面贴合形成密封面，而密封环4内径表面与轴5保持很小的间隙配合，因此油被密封住，只有少量的油通过密封环4与轴5的间隙泄漏出来(回到油箱)。泄漏量与轴5的直径和密封间隙大小相关，也与发热后密封环的膨胀大小有关，本例轴径80mm，转速4000rpm，液压力2MPa，泄漏量为2.2L/min。

Claims

1.一种机械密封装置，其特征在于：包括密封环和两个挡环；密封环和挡环为空心环状结构，轴穿过密封环和挡环的空心，壳体位于轴、密封环和挡环的外周，挡环固定安装在壳体内孔内，挡环外径表面与壳体内孔表面之间为无泄漏装配，密封环位于两个挡环之间，两个挡环的内侧端面距离大于密封环宽度0.2～1mm，密封环的内径表面与轴表面之间设有0.005～0.02mm的密封间隙，构成密封摩擦副；密封环的端面至少与两个挡环中的一个挡环端面贴合构成密封摩擦副，密封环的外径表面与壳体内径表面有0.2～1mm的间隙，轴与挡环内径表面有0.2～1mm的间隙。

2.根据权利要求1所述的机械式密封装置，其特征在于，所述挡环外侧设有卡簧，使挡环轴向定位。

3.根据权利要求1所述的机械式密封装置，其特征在于，所述挡环外径表面与壳体内孔表面之间为无泄漏装配是指挡环的外径与壳体内孔采用过盈配合。