CN102518800A - 一种可密封液固两相的间隙密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可密封液固两相的间隙密封结构，特别是一种针对高速磨削主轴，实现液固两种介质密封的间隙结构。高速磨削机床在加工过程中砂轮主轴外端部存在冷却液和磨削产生的砂粒等固体颗粒杂质，该间隙结构在其主轴外端部形成了防止冷却液和固体颗粒杂质侵入的密封结构。该结构基于迷宫间隙密封的耗能原理和结构内冷却液的受力分析结论，形成了由节流腔和迷宫间隙组合的密封结构，能够实现主轴静止和转动下的密封。该结构由轴套、具有数个周向节流槽的轴承端盖和轴承座装配形成：轴套套在主轴上，轴承端盖安装在轴套上，轴承座固定在壁面，从而形成节流腔和迷宫间隙，可用于高速、超高速磨削机床的主轴密封。

Description

一种可密封液固两相的间隙密封结构

技术领域

本发明属于密封技术领域，涉及一种密封结构，尤其是一种对存在正反转的高速主轴轴承进行液固两相密封的间隙密封结构。

背景技术

目前主轴轴承的密封形式主要有机械式接触密封、非接触式的间隙密封以及组合式密封。然而随着机械行业的发展，主轴转速不断提高，传统的机械式接触密封存在较严重的磨损，且产生较大热量，从而影响密封效果以及密封零件的寿命。由于非接触式的间隙密封没有磨损，工作寿命长，其应用范围越来越广泛。其中迷宫间隙密封作为工业中一种常见的非接触式密封形式，被广泛应用于高速旋转类机械。

迷宫密封一般由迷宫间隙和节流腔组成，其密封原理主要是基于迷宫间隙对密封介质的摩阻效应和节流腔对密封介质的节流效应，通过结构对密封介质产生的湍流，不断消耗密封介质的能量，减少泄露量，从而实现密封。目前已有很多针对迷宫密封性能的研究，K.塔鲁达纳夫斯基对非接触式密封的原理及其他研究工作进行了综合的阐述，总结了间隙内部密封介质压力分布、泄漏量的计算方法和试验，得到了间隙宽度、节流齿形、旋转速度、间隙壁面等因素对密封性能影响的规律。一般来说，间隙宽度越窄间隙的阻力系数越大，摩阻效应越强；一般的节流腔形以矩形锐边形状较为常见；旋转速度对径向间隙影响较大，介质往内部流动时旋转速度越大泄露量越少。这些研究工作都是基于密封结构对密封介质的摩阻效应和产生的湍流耗能进行的结构分析和讨论。因此，设计密封结构需要综合考虑各因素的影响，以提高结构对密封介质的摩阻和湍流耗能作用。对于具体应用的迷宫密封结构需要根据实际工况和结构尺寸，进行各方面的分析，从而确定其结构形式及结构尺寸。

对于高速旋转机械的密封，目前已形成了较多相关迷宫间隙密封结构。“稳定的低泄露迷宫密封装置”(专利号：US005639095A)运用于旋转类机械，在相对旋转的两零件之间形成一定间隙的密封结构。其结构设计主要基于增大间隙对密封介质的摩阻和湍流耗能作用的原则，得到的结构形式包括轴向和径向迷宫间隙、节流腔及壁面上的微小空腔。这些结构特征能充分使流经密封结构的密封介质进行湍流，进而使能量耗散，减小泄漏量。该密封装置主要是通过静态下耗能分析得到的结构，并未对动态下的密封性能进行讨论。由于实际的迷宫间隙密封很难实现完全密封，尤其对于复杂工况，在静止状态下间隙内总会有一定的密封介质侵入、残留；此外，如果结构设计过于复杂，旋转状态下间隙内液体将不易排出。因此，设计间隙密封结构时需要考虑旋转状态下密封结构的密封性能，并结合静止状态下的结论，以实现各个状态下的密封。

对于高速磨削机床，在加工过程中主轴存在正反转，其外端部有大量的冷却液，而冷却液中含有磨削产生的砂粒等固体颗粒杂质。对于这种复杂工况，一般的间隙密封结构很难实现各状态下的密封。此时，既要考虑静态下间隙结构对流过的冷却液的耗能作用，也要考虑如何防止静态下侵入到结构内部的冷却液在旋转状态下进一步侵入到间隙内部。除此之外，还需要考虑如何实现液固两相的密封。因此，针对此类工况，需要结合静态耗能分析和动态受力分析结果进行密封结构设计，实现静态和旋转状态下液固两相的密封。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种针对特定结构尺寸下的高速磨齿机的主轴非接触式密封结构，该种密封结构采用非接触式密封，能够实现静态和动态下的密封，有效的保证了主轴的密封结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种可密封液固两相的间隙密封结构，是由轴承端盖、轴承座和轴套装配而形成的间隙结构；所述间隙结构由节流腔段和迷宫间隙段两部分组成；所述节流腔段是由具有周向节流槽的轴承端盖与轴承座配合形成；所述迷宫间隙段包括：轴套的外壁面与轴承座的内壁面之间配合形成的第一间隙以及在轴承座与轴承端盖之间，于径向和轴向配合形成的第二间隙、第三间隙、第四间隙和第五间隙；所述第一间隙、第三间隙和第五间隙为轴向间隙；第二间隙和第四为径向间隙；所述轴承端盖上的周向节流槽位于轴承端盖外端部，其截面为锐边矩形。

上述轴套与轴承端盖随主轴旋转运动；所述轴套通过过盈配合安装在主轴上；所述轴承端盖和轴套之间设有螺栓连接的螺栓孔，轴承端盖通过螺栓安装到轴套上，且随主轴旋转运动。

上述的轴承座安装在固定壁面上，所述轴承座设有螺栓孔，通过螺栓固定安装在壁面上。

进一步，上述轴承端盖外端部上的周向节流槽沿轴向布置有3-8个，该周向节流槽的截面尺寸为：深0.8mm，宽0.5mm。

进一步，上述第一间隙的宽度为0.25mm，长度为22mm；所述第三间隙和第五间隙宽度为0.1mm，长度为11mm和9mm；所述第二间隙5和第四间隙10宽度为0.2mm，长度分别为10.6mm和4.5mm。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明实现静态下的密封。节流腔与迷宫间隙的结合，一方面能通过节流腔减弱毛细力的影响，阻碍冷却液中固体颗粒等杂质侵入；另一方面能利用节流腔的节流效应和间隙的摩阻效应实现对密封介质的耗能作用，从而实现静态下的密封。

(2)实现动态下的密封。基于流体受力分析，通过减少阻碍离心力作用的结构因素，能够在一定转速下得到满足密封要求的内外压强差和出流量，而实现动态下的密封。

(3)间隙密封结构由若干零件装配形成，相对运动零部件之间无接触，避免了接触式密封产生的磨损、产热等不利影响，能提高密封结构的密封稳定性和工作寿命。

附图说明

图1为间隙内流体微团的受力示意图；

图2为本发明的间隙密封结构的总体结构示意图；

图3为本发明的剖视图；

图4为间隙段结构示意图；

图5为节流腔结构示意图。

其中：1为间隙结构的外端面；2为轴承座；3为轴承端盖；4为主轴；5为第二间隙；6为第一间隙；7为轴套；8为第三间隙；9为间隙结构的内端面；10为第四间隙；11为第五间隙；12为节流腔段；13为轴承；14为固定壁面；15为节流腔间隙；16为节流槽；17为节流腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2，本发明的可密封液固两相的间隙密封结构是由轴承端盖3、轴承座2和轴套7装配而形成的间隙结构；所述轴套7与轴承端盖3随主轴4旋转运动；轴套7通过过盈配合安装在主轴4上；轴承端盖3和轴套7之间设有螺栓连接的螺栓孔，轴承端盖3通过螺栓安装到轴套7上，且随主轴4旋转运动。轴承座2安装在固定壁面14上，所述轴承座2设有螺栓孔，通过螺栓固定安装在壁面14上。其中轴承端盖3、轴承座2和轴套7装配形成的间隙结构由节流腔段12和迷宫间隙段两部分组成；节流腔段12是由具有周向节流槽16的轴承端盖3与轴承座2配合形成。迷宫间隙段包括：轴套7的外壁面与轴承座2的内壁面之间配合形成的第一间隙6以及在轴承座2与轴承端盖3之间，于径向和轴向配合形成的第二间隙5、第三间隙8、第四间隙10和第五间隙11，其中第一间隙6、第三间隙8和第五间隙11为轴向间隙，(第五间隙11不包括节流腔段12的那段)；第二间隙5和第四10为径向间隙。所述轴承端盖3上的周向节流槽16位于轴承端盖3外端部，其截面为锐边矩形。

在本发明的较佳实施例中，轴承端盖3外端部上的周向节流槽16沿轴向布置有3-8个，该周向节流槽16的截面尺寸为：深0.8mm，宽0.5mm。第一间隙6的宽度为0.25mm，长度为22mm；所述第三间隙8和第五间隙11宽度为0.1mm，长度为11mm和9mm；所述第二间隙5的宽度为0.2mm，长度为10.6mm；所述第四间隙10的宽度为0.2mm，长度为4.5mm。

本发明的间隙密封结构是针对特定的工作状况进行设计的：

常温下，磨削砂轮主轴的工作转速在5000r/min以下，存在急停急起、正反转；密封介质包括冷却液和磨削产生的砂粒等固体颗粒杂质，冷却液的运动粘度约为13.5mm²/s，其在密封结构的外端面形成的压强为1KPa。

由于密封结构需要实现的是静态和动态下的密封，本发明的间隙密封结构的设计是基于静态和动态下的密封原理来实现的：

对于静止状态，由于间隙的存在，具有一定液压的外界冷却液会与间隙壁面之间产生液体表面张力，形成毛细力，导致外界冷却液向间隙内部侵入。根据密封原理，密封结构可以通过间隙的摩阻效应和节流腔的节流效应实现对密封介质的耗能。

如图4所示，密封介质流过间隙结构时，壁面会对介质产生摩阻效应，不断耗散介质能量。而由间隙密封的研究结论可得：在一定条件下，间隙越窄、壁面越粗糙，阻力系数越大，摩阻效应就越强，而且一定粗糙程度的壁面会引起介质发生局部涡旋，从而使间隙尽可能的消耗密封介质能量，使介质不至于侵入到密封结构的内端面。如图5所示，密封介质以一定速度流经节流腔时会存在射流现象，其压强会转换为动能，并且在节流槽中产生局部涡旋，不断消耗动能，进而实现耗能。由现有研究结果可知，节流腔对介质的耗能作用受到其形状、尺寸等因素的影响。

由于间隙较小，冷却液在间隙内的毛细现象比较明显，而节流腔的设置可以起到减弱毛细现象的作用，而减弱冷却液向结构内部的侵入。此外，节流腔的设置能通过其涡旋作用将混杂在冷却液中的固体砂粒留在节流腔内，进而起到阻碍固体砂粒进入结构内部的作用。

对于旋转状态，由于间隙的存在，静止状态下会有一定的冷却液残留在密封结构内部。为了实现动态下的密封，需要在旋转状态下对残留在间隙内的冷却液进行运动趋势的判断。因此，对间隙内液体进行了受力分析，参照图1所示，得到：不论是径向间隙还是轴向间隙内的冷却液微团主要受到重力(由于间隙较小，可忽略)、离心力f_r、液体微团间的粘滞力t和压力p的作用。参照图1所示，粘滞剪切力t_rq＝t_qr、t_qz＝t_zq和t_zr＝t_rz，这六个黏性剪切力主要引起的是流体运动时的变形；压力p_rr和p_qq分别作用在径向和周向的两对相对面上。微团在周向上受到p_qq和

的作用，但由于液体周向速度梯度不大，对微团的运动趋势影响不大；而在径向上受到p_rr、

和f_r的作用，其径向合力的表达式为：

由式(1)可知，如果合理控制主轴转速，间隙内流体微团的合力将为径外向。

由于间隙结构分为径向间隙和轴向间隙，根据以上受力分析结果，径向间隙内的流体微团有径外向运动的趋势，而轴向间隙内微团由于结构在径向的限制，而没有明显的运动趋势。这与目前的研究结论相一致。

此外，对于间隙内冷却液整体而言其受到重力、表面张力作用形成的毛细力和径外向的离心力作用。如果合理控制主轴转速，径向间隙冷却液的离心力能克服毛细力和重力，使冷却液向结构外流出，并在结构内部形成较大压强，能抵消外界冷却液压强，阻止其侵入，进而实现动态下的密封。虽然离心力的大小主要与旋转速度有关，但其所起到的作用的大小受到密封结构的影响。从受力分析得到，轴向间隙中的冷却液虽然也受离心力作用，但是由于轴向间隙没有径向运动空间，无法进行径向运动。因此，为增大离心力的作用，需要合理设计和优化密封结构，减弱结构阻碍离心力的作用，从而提高动态下的密封性能。

基于以上静态耗能分析和旋转状态的受力分析，本发明的间隙密封结构按照以下步骤实现：

1、初步确定间隙结构的形式

按照静态耗能分析，将密封结构形式设计为节流腔段和迷宫间隙段两部分的组合：节流腔段位于密封结构的外端部，迷宫间隙靠近内部。参照附图2所示，密封结构由轴承座与轴套、轴承端盖装配形成。针对所确定的工况和外部尺寸条件，利用软件仿真一定压强的冷却液在流过间隙结构耗能情况。为了更好的实现静态耗能，在基本的结构形式上主要考虑间隙的宽度、间隙的长度以及节流腔的形式与尺寸等因素。对于间隙宽度，研究结果表明，间隙越窄其阻力系数越大，因此，在加工、装配条件允许的前提下可减小间隙宽度；对于间隙宽度一定的间隙，长度越长其耗能作用就越大；对于节流槽的形式与尺寸，常见的节流槽齿形为直齿矩形和具有一定倾角的齿形，但受零件加工的限制，倾角齿形难于加工，所以目前多采用矩形直齿；对于齿形的棱边，研究表明，锐边齿形的泄漏量系数小。因此，节流槽的主要形式为直齿锐边矩形，按照附图5所示，其尺寸、比例需通过仿真确定，使其有充分湍流区域。

针对以上结构因素，利用软件对结构进行耗能作用分析，最终得到了能有效将1KPa的冷却液耗散完全的初步结构形式。

2、旋转状态下的分析及结构改进

按照前面理论分析，旋转状态时希望能将残留在密封结构内的冷却液排出，实现动态密封。因此，利用动态下密封性能的分析结论，对得到的初步密封结构进行特定转速下的间隙内冷却液压强和出流量分析。根据上述动态分析结论和其他研究结果表明，离心力能使径向间隙内的冷却液往径外向流动，且在径向外端形成一定液压，而对轴向间隙没有这种明显作用。因此，在满足静态耗能的前提下，应考虑将轴向间隙尽量简化，以增强离心力对冷却液径外向运动的作用，提高冷却液的出流量以和径向外端形成的液压。

3、密封结构的确定

结合静态耗能分析和动态出流量分析，得到改进后的密封结构的形式，如图4所示。其中第二间隙5、第三间隙8、第五间隙11和节流腔段12主要起到静态耗能作用；第二间隙5和第五间隙11起到动态下保证足够离心力的作用。最佳实施例中，间隙结构各个特征的尺寸为：矩形锐边节流槽16的数目为5个，槽深为0.8mm，宽为0.5mm；轴向间隙-第三间隙8和第五间隙11宽度为0.1mm，长度分别为11mm和9mm；轴向间隙-第一间隙6的宽度为0.25mm，长度为22mm；径向间隙-第二间隙5和第四间隙10宽度为0.2mm，长度分别为10.6mm和4.5mm。

对上述确定的密封结构，利用软件进行静态下的耗能分析，得到外界1KPa的冷却液流经密封结构之后在第二间隙中部即耗散至大气压，即有较好的耗能作用。同理，对其进行动态密封性能分析：当主轴转速为1500r/min时，密封结构内外压强差即能达到1KPa左右，且有一定的出流量。这说明只要主轴转速大于1500r/min时，密封结构能克服外界液压，且能将残留冷却液甩出，具有一定的密封性能。

Claims (5)

1.一种可密封液固两相的间隙密封结构，其特征在于，是由轴承端盖(3)、轴承座(2)和轴套(7)装配而形成的间隙结构；所述间隙结构由节流腔段(12)和迷宫间隙段两部分组成；所述节流腔段(12)是由具有周向节流槽(16)的轴承端盖(3)与轴承座(2)配合形成；所述迷宫间隙段包括：轴套(7)的外壁面与轴承座(2)的内壁面之间配合形成的第一间隙(6)以及在轴承座(2)与轴承端盖(3)之间，于径向和轴向配合形成的第二间隙(5)、第三间隙(8)、第四间隙(10)和第五间隙(11)；所述第一间隙(6)、第三间隙(8)和第五间隙(11)为轴向间隙；第二间隙(5)和第四(10)为径向间隙；所述轴承端盖(3)上的周向节流槽(16)位于轴承端盖(3)外端部，其截面为锐边矩形。

2.根据权利要求1所述的可密封液固两相的间隙密封结构，其特征在于，所述轴套(7)与轴承端盖(3)随主轴(4)旋转运动；所述轴套(7)通过过盈配合安装在主轴(4)上；所述轴承端盖(3)和轴套(7)之间设有螺栓连接的螺栓孔，轴承端盖(3)通过螺栓安装到轴套(7)上，且随主轴(4)旋转运动。

3.根据权利要求1所述的可密封液固两相的间隙密封结构，其特征在于，所述的轴承座(2)安装在固定壁面(14)上，所述轴承座(2)设有螺栓孔，通过螺栓固定安装在壁面(14)上。

4.根据权利要求1所述的可密封液固两相的间隙密封结构，其特征在于，所述轴承端盖(3)外端部上的周向节流槽(16)沿轴向布置有3-8个，该周向节流槽(16)的截面尺寸范围为：深0.65-1.0mm，宽0.4-0.8mm。

5.根据权利要求1所述的可密封液固两相的间隙密封结构，其特征在于，所述第一间隙(6)的宽度范围为0.2-0.3mm，长度范围为16-22mm；所述第三间隙(8)和第五间隙(11)宽度范围为0.07-0.14mm，长度范围为9-11mm和7-9mm；所述第二间隙5和第四间隙10宽度范围为0.2-0.3mm，长度范围分别为8.6-11mm和4-6.5mm。

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