CN103174836B - 一种石墨填料圈及其密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨填料圈及其密封组件，目的在于解决填料密封径向压紧力无回弹支撑、轴向磨损后无回弹补偿、机械振动等引起的填料密封面与轴接触面之间密合不严而发生泄漏的问题，该石墨填料圈包括填料环，所述填料环内设置有环槽，所述环槽内设置有金属开口环，所述金属开口环的开口位于金属开口环的外侧，所述金属开口环内设置有圆柱螺旋弹簧。本发明的石墨填料圈及其密封组件设计巧妙，具有良好的自适应回弹性，能够有效解决填料密封塑性变形、回弹力下降所带来的一系列问题。

Description

一种石墨填料圈及其密封组件

技术领域

本发明涉及密封领域，尤其是一种石墨填料圈及其密封组件。

背景技术

填料密封又叫压盖密封，俗称盘根，是一种填塞环缝的压紧式密封，是在轴与壳体之间用弹塑性材料或具有弹性结构的元件堵塞流体泄漏通道的轴封装置，也是世界上使用最早的一种密封装置。由于填料材料具有来源广泛、加工容易、价格便宜、操作简单、密封较可靠等优点，因而沿用至今。填料密封通常用作旋转或往复运动的零件与轴封箱之间环形空间的密封，如离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机、阀杆、管线膨胀节、换热器浮头、带搅拌反应釜等设备的轴封和阀杆的密封，它能适应往复运动、旋转运动和螺旋转运动元件的密封，在石油工业、石油化学工业、造纸工业等中起着重要的作用。

目前，大多数厂家生产的填料密封组件，包括轴向依次贴合的金属垫圈、以及数块石墨填料圈，它们均置于密封腔内并套装在轴上，它将轴向力转变为径向力，从而产生径向密封效果。填料密封组件在高温高压的工况下，为达到良好的密封效果，石墨填料圈的数量较多，通常为八至十块，且需施加较大的预紧力，从而使填料圈对轴的摩擦力和反向扭矩增大，影响轴的正常运转，且不能适用于结构要求紧凑的场所。

填料置于密封体中，通过压盖将填料压紧在轴上，填料依靠压盖轴向压紧，产生径向变形，填满间隙，填料在变形时，依靠径向变形产生的径向力紧贴转轴与密封体内壁表面，实现密封。申请人发现，在温差变化比较明显的使用工况环境下，由于材料的热胀冷缩，填料密封性能变化尤为明显，经常会出现升温就泄露的情况；或是在反复升温和降温过程中，也会出现泄露现象；同时，介质压力变化，也可能出现泄露现象。通过研究分析后，认为：填料密封径向压紧力不足、填料密封径向压紧力无回弹支撑、轴向磨损后无回弹补尝、机械振动等，都会引起填料密封面与轴接触面之间密合不严而发生泄漏。另外，在密封填料长期使用后，石墨填料环会发生塑性变形、回弹力下降、材料老化、变质等，也会造成填料密封面与轴接触面之间密合不严而发生泄漏。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的填料密封径向压紧力无回弹支撑、轴向磨损后无回弹补偿、机械振动等引起的填料圈密封面与轴接触面之间密合不严而发生泄漏的问题，提供一种石墨填料圈及其密封组件。本发明的石墨填料圈及其密封组件设计巧妙，具有良好的自适应回弹性，能够有效解决填料密封塑性变形、回弹力下降所带来的一系列问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨填料圈，包括填料环，所述填料环内设置有环槽，所述环槽内设置有金属开口环，所述金属开口环的开口位于金属开口环的外侧。

所述填料环、金属开口环分别为环形。

所述金属开口环内设置有螺旋弹簧。

所述螺旋弹簧呈环形。

在填料环的纵截面上，位于填料环内的金属开口环的中心与纵截面中心重合。

在填料环的纵截面上，位于填料环内的金属开口环的中心、螺旋弹簧的中心分别与纵截面中心重合。

采用上述石墨填料圈的密封组件，包括密封体、与密封体相连的密封压盖，所述密封体内设置有若干个石墨填料圈。

所述密封体与密封压盖之间采用活动连接。

所述密封体与密封压盖之间采用螺纹连接。

申请人通过对现有的填料密封分析后发现，泄露事故的发生主要是因为填料密封内部压紧力发生变化，其与密封部件结合面出现分离界面，且在外部预紧压力已定的情况下，现有石墨填料圈的回弹塑性发生了变化，其回弹性不足，最终导致了泄露事故的出现。因此，申请人对石墨填料圈的结构进行了完全重新的设计。本发明的石墨填料圈，包括填料环，填料环内设置有环槽，环槽内设置有金属开口环，金属开口环的开口位于金属开口环的外侧。

使用时，将本发明的石墨填料圈置于轴上，石墨填料圈在外力作用下发生形变，并将外力传递给金属开口环，金属开口环收缩变形并产生反向作用力，随着外力的增加，反向作用力随之增加。本发明中，金属开口环的开口位于金属开口环的外侧，即金属开口环的开口背向轴，其所产生的反作用力能够使石墨填料圈沿径向及轴向伸展，并使径向压紧力增加，从而显著提高密封效果，避免泄露事故的发生。

本发明在石墨填料圈中设置了金属开口环，从而使其具有良好的密封效果，并能承受高温高压，配合填料环的作用，从而能够进行有效地密封，同时，大为减少石墨填料圈的数量及相应密封组件的尺寸，满足结构要求紧凑和高温高压工况场所的要求。由于采用此结构，其能够使得在较小的预紧力下，产生较大的密封压紧力，从而有效减小石墨填料圈对轴的摩擦力和反向扭矩，使得相应驱动装置的驱动力矩减小，有效降低了驱动能耗。同时，由于本发明石墨填料圈的独特结构，其能够有效解决填料密封径向压紧力不足、轴结合面上的粗糙度不恰当、机械振动等原因引起的填料密封面与轴接触面之间密合不严的问题，同时，在长期使用后，其依然能够保持良好的回弹性，从而能够有效避免泄露事故的发生。本发明中金属开口环不仅能有效增强石墨填料圈的回弹性能，还能增加散热效果，通过金属开口环与轴的近距离接触带走热能，达到降低温度的目的，从而使其保持更好的物理性能，有效延长石墨填料圈的使用寿命。石墨填料圈所受外界因素影响产生内压力的变化是多样的，本发明石墨填料圈中的金属开口环能够适应相应的变化，从而能够有效提高产品使用周期，减低产品更换的频率，有效降低生产及后期维护成本。在同样的密封条件下，可有效轴与石墨填料圈之间的磨损，延长轴与石墨填料圈的使用寿命，拓展石墨填料圈的适用范围。作为优选，填料环、金属开口环分别为环形。

作为优选，本发明在金属开口环内设置有螺旋弹簧。金属开口环内置的圆柱螺旋弹簧能够起到金属开口环内部弹性骨架的作用，有利于降低石墨填料圈的加工难度，降低其生产成本。螺旋弹簧还能承受金属开口环向内收缩时传递的外力，同时依靠弹簧自身的弹性伸缩变形适应金属开口环形状的变化，并对金属开口环产生反作用力，增加石墨填料圈的回弹性能。螺旋弹簧还能进一步增强石墨填料圈的整体散热效果，通过金属开口环、石墨填料圈与轴的近距离接触，带走热能，达到降低温度的目的，延长石墨填料圈的使用寿命。由于石墨填料圈所受外界因素影响产生内压力的变化复杂且多样，在金属开口环内设置螺旋弹簧能够更好地适应外部压力的变化，提高产品的稳定性和使用周期，更好地满足实际工矿的需要。作为优选，螺旋弹簧呈环形。螺旋弹簧位于金属开口环内，由于石墨填料圈为环形，螺旋弹簧也应当呈现为环形。

作为优选，在填料环的纵截面上，位于填料环内的金属开口环的中心与纵截面中心重合。

同时，本发明还提供一种采用前述石墨填料圈的密封组件，包括密封体、与密封体相连的密封压盖，所述密封体内设置有若干个石墨填料环。密封体与密封压盖之间可采用螺纹连接。使用时，将本发明的石墨填料环套装于轴上，并置于密封体内，最后通过密封压盖压紧。密封压盖在压紧过程中，对石墨填料圈施加压紧力，并传递给石墨填料圈内的金属开口环，金属开口环发生形变，其开口向内收缩，并产生反向作用力，反向作用力随所施加压紧力的增加而增加，其中，金属开口环的开口位于金属开口环的外侧，使密封效果显著提高。作为优选，石墨填料圈的金属开口环内设置有螺旋弹簧，圆柱螺旋弹簧起到金属开口环内部弹性骨架的作用，承受金属开口环向内收缩时传递的外力，依靠弹簧自身的弹性伸缩变形适应金属开口环形状的变化，并对金属开口环产生反作用力，从而有效提高密封组件的密封效果及使用寿命。

本发明是申请人在近10年的技术积累下，依托产学研合作模式，经过近4年的技术攻关，最终得到的。本发明能够用于离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机、阀杆、管线膨胀节、换热器浮头、带搅拌反应釜等设备的轴封和阀杆的密封，满足高温、高压工况的需要。本发明从观念上打破了传统的填料密封回弹构造方式，改变了密封组件内部压紧力的受力方式，在压紧阶段（施压过程中）形成内力储存，在使用过程中，压力发生变化时，通过压力回弹释放而进行补充，有效改善密封组件的径向压力分布，且使得填料环的回弹塑性得到保持，既使得密封压紧力增大，降低了填料环对轴的摩擦力和反向扭矩，以及驱动装置的能耗，又减少了填料环因长期使用而存在的问题，有效拓展了使用范围。

同时，本发明在填料环内设置金属开口环，在金属开口环内设置有呈环形状态的圆柱螺旋弹簧，能够使其整体的承压能力大大增强，且产品内部增加了自回弹性能，能够有效减少填料环在阀杆摩擦过程中掉料的问题，从而使其始终保持良好的密封性能。本发明有效的解决了一直困扰众多阀门单位的泄漏问题，对高温高压阀门产品的提升起到了至关重要的作用。

本发明的产品经国家密封件产品质量监督检验中心（合肥通用机电产品检测院）抽样检验，产品实物质量合格，标识标签合格，综合判定为合格，主要指标达到或超过标准值。同时，申请人也对产品进行了密封及性能的检验，检验的相应技术指标如下：1）压缩率：6-15%，2）回弹率：50-95，3）450℃耐温失量：0.252，4）600℃耐温失量：1.80，5）摩擦系数：0.13，6）对预压紧力的控制方面：降低预紧力60%左右，7）产品使用寿命指标： 使用寿命增加50%，8）节能方面：驱动系统能耗明显降低。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）本发明的石墨填料圈运用于阀门中，能够有效减小安装时轴的预紧压力，能够使阀门的开关更加灵活、方便；

（2）由于本发明的结构的巧妙设计，其能够提高产品的承受能力，能够有效减少密封组件中石墨填料圈的数量，有效降低使用成本，同时，还能增加产品的耐磨性能，延长其使用寿命；

（3）本发明在石墨填料圈内部设置有金属开口环，在金属开口环内设置有呈环形状态的圆柱螺旋弹簧，改变了填料环的塑性状况，使其保持良好密封性能的同时，又增强了其在高温高压、长时间使用等工况下的自适应回弹性能，显著提高了产品的使用周期，减少了更换频率，有效降低了生产及维护成本，在同等条件下，减少了使用时，轴与填料环之间的磨损，可延长轴和本发明的使用寿命，拓宽本发明的运用范围，本发明使用寿命长，密封性能好，即使长期使用后，依然能够保持良好的自适应回弹性能，具有良好的应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是实施例1中密封组件的结构示意图。

图2是实施例1中石墨填料圈的俯视图。

图3是实施例1中石墨填料圈的剖视图。

图4是实施例2中密封组件的结构示意图。

图5是实施例2中石墨填料圈的剖视图。

图中标记：1、密封体，2、密封压盖，3、石墨填料圈，4、填料环，5、金属开口环， 6、轴，7、螺旋弹簧。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图所示，密封组件包括密封体1、与密封体1相连的密封压盖2，密封体1内设置有若干个石墨填料圈3，密封体1与密封压盖2活动连接。

石墨填料圈3包括填料环4，填料环4内设置有环槽，环槽内设置有金属开口环5，金属开口环5的开口位于金属开口环5的外侧。石墨填料圈3的剖视图如图3所示，在填料环4的纵截面上，位于填料环4内的金属开口环5的中心与截面中心重合。

使用时，石墨填料圈3置于密封体1内并套装于轴6上，最后通过密封压盖2压紧。密封压盖2在压紧过程中，对石墨填料圈3施加压紧力，石墨填料圈3在压紧力作用下发生形变，并传递给金属开口环5，金属开口环5收缩变形并产生反向作用力，随着压紧力的增加，反向作用力随之增加。

实施例2

如图所示，石墨填料圈3包括填料环4，填料环4内设置有环槽，环槽内设置有金属开口环5，金属开口环5内设置有螺旋弹簧7。金属开口环5的开口位于金属开口环5的外侧，填料环4、金属开口环5、螺旋弹簧7分别呈环形。石墨填料圈3的剖视图如图5所示，在填料环4的纵截面上，位于填料环4内的金属开口环5的中心、螺旋弹簧7的中心分别与截面中心重合。

密封组件包括密封体1、与密封体1相连的密封压盖2，密封体1内设置有若干个石墨填料圈3，密封体1与密封压盖2活动连接。

使用时，石墨填料圈3置于密封体1内并套装于轴6上，最后通过密封压盖2压紧。密封压盖2在压紧过程中，对石墨填料圈3施加压紧力，石墨填料圈3在压紧力作用下发生形变，并通过填料环4传递给金属开口环5和金属开口环5内呈环形状态的螺旋弹簧7，金属开口环5收缩变形并产生反向作用力，随着压紧力的增加，反向作用力随之增加。螺旋弹簧7起到金属开口环5内部弹性骨架的作用，承受金属开口环5向内收缩时传递的外力，靠弹簧自身的弹性伸缩变形适应金属开口环5形状的变化，并对金属开口环5产生反作用力。

本发明的密封组件具有良好的密封作用，且能够承受高温高压，同时减少组成部件的数量，减小密封组件的尺寸。本发明能够在较小的预紧力下，产生较大的密封压紧力，有效减小填料环4对轴6的摩擦力和反向扭矩，降低驱动能耗。本发明有效解决了填料密封面与轴6接触面之间密合不严的问题，其在长期使用后，依然能够保持良好的回弹性，有效避免泄露事故的发生。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种石墨填料圈，包括填料环（4），其特征在于，所述填料环（4）内设置有环槽，所述环槽内设置有金属开口环（5），所述金属开口环（5）的开口位于金属开口环（5）的外侧；

所述金属开口环（5）内设置有螺旋弹簧(7)；

所述填料环（4）、金属开口环（5）分别为环形；

所述螺旋弹簧(7）呈环形。

2.根据权利要求1所述的石墨填料圈，其特征在于，在填料环（4）的纵截面上，位于填料环（4）内的金属开口环（5）的中心与纵截面中心重合。

3.根据权利要求2所述的石墨填料圈，其特征在于，在填料环（4）的纵截面上，位于填料环（4）内的金属开口环（5）的中心、螺旋弹簧(7)的中心分别与纵截面中心重合。

4.根据权利要求1-3任一所述石墨填料圈的密封组件，其特征在于，包括密封体（1）、与密封体（1）相连的密封压盖（2），所述密封体（1）内设置有若干个石墨填料圈（3）。

5.根据权利要求4所述石墨填料圈的密封组件，其特征在于，所述密封体（1）与密封压盖（2）之间采用活动连接。

6.根据权利要求5所述石墨填料圈的密封组件，其特征在于，所述密封体（1）与密封压盖（2）之间采用螺纹连接。