CN103603954A - 真空低温环境下大口径旋转动密封系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空低温环境下适用的大口径旋转动密封系统，包括一个动密封圈、两个静密封圈及两套平行的真空抽气系统，所述动密封圈包括一体成型的三道唇形挡圈，由塑性材料的圆筒形毛坯在其侧壁上依次加工出等距离的三道唇口，相当于三道密封，每两个唇口之间在上述圆筒形毛坯的径向上开设有一个通孔，真空容器外设置的两套平行的真空抽气系统通过唇口之间的两个通孔向容器外抽气，在动密封圈的安装面上设置有静密封圈。本发明密封系统，明显提高了真空下大口径旋转动密封的效果；同时该系统轴向安装空间小，可在狭小的安装空间下解决大口径旋转动密封需求；优化后的密封圈唇口变形大且具有恢复效应，既保证了密封效果又解决了密封圈过早磨损问题。

Description

真空低温环境下大口径旋转动密封系统

技术领域

本发明属于空间环境模拟领域，具体涉及一种用于真空低温环境下的旋转动密封系统。

背景技术

在航天器在地面真空容器内使用太阳模拟器进行真空热试验时，航天器一般安装在运动模拟器上。通过运动模拟器调节航天器的姿态，使航天器以不同的角度接收太阳模拟器光束的辐照，以保证航天器与太阳光束的角度关系与在轨飞行条件相同或相近，或者与总体设计时的外热流环境相同。大口径旋转动密封系统（通常是指口径在Φ500mm以上）是运动模拟器的关键部件之一，用以满足高真空下密封腔体的旋转动密封需求。

运动模拟器在真空低温环境下工作，真空度高达1×10^-5Pa，温度最低达到约-170℃。真空低温环境对大口径旋转动密封装置提出了苛刻的要求，普通密封结构难以在该环境下正常工作，国内目前还未有类似应用先例。

通常，真空密封的主要方式包括真空用橡胶密封圈、真空用金属密封圈密封、采用软变形的动联接密封、真空用磁流体密封和磁联接的隔板密封5种。但是，以上几种密封结构的工作温度约为-25℃～80℃，严重受到温度条件的限制；普通橡胶密封圈容易过早磨损，而磁流体密封和磁联接板密封结构复杂，且存在易泄漏和真空侧轴承润滑不良的问题。

鉴于现有技术的各种密封方式存在各种技术问题，且难以适用于真空极低温的工作条件，因此，研制一种新的真空低温环境下使用的密封系统非常必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，适用于真空低温环境下的大口径旋转动密封系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

真空低温环境下适用的大口径旋转动密封系统，包括一个动密封圈、两个静密封圈及两套平行的真空抽气系统，所述动密封圈包括一体成型的三道唇形挡圈，由塑性材料的圆筒形毛坯在其侧壁上依次加工出等距离的三道唇口，相当于三道密封，每两个唇口之间在上述圆筒形毛坯的径向上开设有一个通孔（抽气口），真空容器外设置的两套平行的真空抽气系统通过唇口之间的两个通孔（抽气口）向容器外抽气并通过密封法兰机械固定连接到密封部件上，在上述动密封圈的安装面的进出口位置分别设置有一个静密封圈。

其中，静密封圈为O形圈，材料为氟橡胶，用于动密封圈与腔体安装面进出口的静密封。

其中，上述塑性材料为石墨增强型聚四氟乙烯。

其中，大口径旋转转动密封系统是指口径在Φ500mm以上。

其中，真空抽气系统的抽气管与动密封圈的通孔的直径相匹配。

进一步地，真空抽气系统有两套，并联安装，分别包括抽气管、挡板阀（或插板阀）、压力计、手动阀和真空泵。

进一步地，真空低温环境下大口径旋转动密封系统还包括由真空动密封装置引出的两根金属软管，外径为Φ10mm，有效通气口径为Φ8mm，分别通过真空容器法兰引出容器外，各与一个真空抽气系统相连接。

其中，大口径旋转转动密封系统是指口径在Φ500mm以上。

其中，真空容器法兰的外部包覆有10层隔热材料，以尽可能减少热量损失，能使动密封系统工作温度保持在20℃±10℃；

进一步地，隔热材料采用双面镀有金属膜的反射屏，屏间置有隔热材料。

本发明的大口径旋转动密封系统与现有的密封系统相比，明显提高了真空下大口径旋转动密封的效果；同时该系统轴向安装空间小，可在狭小的安装空间下解决大口径旋转动密封需求；优化后的密封圈唇口变形大且具有恢复效应，既保证了密封效果又解决了密封圈过早磨损问题。该大口径旋转动密封系统采用密封法兰外部包覆隔热多层、被密封腔体内通有循环空气的温控系统，实现了整个大口径旋转动密封系统在低温环境下的稳定可靠工作。

附图说明

图1为本发明的真空低温环境下大口径旋转动密封系统的结构示意图。

其中，1-密封圈；2-密封法兰；3-抽气管；4-真空抽气系统；5-真空容器；6-旋转轴。

图2为本发明的真空低温环境下大口径旋转动密封系统中使用的结构示意图。

其中，21-O形密封圈；22-动密封圈；23-抽气口；24-唇形挡圈。

图3为本发明的真空低温环境下大口径旋转动密封系统中使用的真空抽气系统结构原理图。

其中，31-密封圈；32-挡板阀（或插板阀）；33-压力计；34-手动阀；35-真空泵。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

图1是本发明真空低温环境下大口径旋转动密封系统的结构示意图，该密封系统包括密封圈1，密封法兰2，抽气管3，真空抽气系统4，真空容器5，旋转轴6，密封圈1通过抽气管3与真空抽气系统4连接并通过密封法兰2机械固定连接，除真空抽气系统系统外，其他各部件设置在真空容器4内部，密封圈1、密封法兰2和抽气管3在旋转轴6转动时均保持固定不动；其中，如图2所示，本发明的密封系统中使用的密封圈1包括一个动密封圈22和两个O形密封圈21；动密封圈22包括三道唇形挡圈24，由塑性材料的圆筒形毛坯在其侧壁上依次等距离加工而成，相当于三道密封，每两个唇形挡圈24之间在上述圆筒形毛坯的径向上开设有一个抽气口23，真空容器外设置的真空抽气系统4通过唇形挡圈24之间的抽气口23向容器外抽气；上述塑性材料为石墨增强型聚四氟乙烯；该材料摩擦系数小、耐磨性好，有适当的机械强度和硬度，可工作温度范围为-70℃～+200℃；线速度最高为18m/s；可承受压力最高为6bar。为使动密封圈达到最优的密封性能，需要对其唇形挡圈进行优化设计。经优化设计后的唇形挡圈的弹性引起的预载随温度的升高具有恢复效应。

通常，为使动密封圈达到最优的密封性能，需要对其结构参数进行优化设计。分别建立不同结构参数的动密封圈三维几何模型，进行网格划分，施加负载和约束等边界条件，计算不同动密封圈厚度和长度及唇形挡圈厚度等参数条件下的计算模型。最终得到不同结构参数条件下，动密封装置密封效果。

在一具体的实施方式中，动密封圈内径为Φ800mm，优化后的动密封圈主要结构参数如下：厚度为15mm，沿轴向长度为53.8mm，唇形挡圈厚度2mm。加工时，经材料成型、粗车、钻孔、精车、精磨等一系列工序加工而成。

在另一具体实施方式中，两个O形密封圈21安装在动密封圈22的安装面的进出口位置，两个O形密封圈21的材料为氟橡胶，有良好的密封性，用于动密封圈与安装面进出口处的静密封。

本发明的密封系统中使用的温控系统是为了克服动密封系统在低温环境下工作温度的限制而设计的；由于被密封腔体内部通有常温的循环空气，因此，在密封法兰外部包扎10层隔热材料，以尽可能减少热量损失，能使动密封系统工作温度保持在20℃±10℃；隔热材料采用双面镀有金属膜的反射屏，屏间置有间隔材料。

在一具体的实施方式中，动密封圈22上开设的抽气口23引出2根抽气管，分别通过真空容器法兰引出容器外，各与一个真空抽气系统4相连接；抽气管尺寸与动密封圈抽气口的直径相匹配；真空抽气系统依据动密封圈的密封效果，必要时才开启工作，同时通过开启挡板阀可监视动密封圈唇口间的压力。

图3是真空低温环境下大口径旋转动密封系统中使用的真空抽气系统结构原理图。该真空抽气系统是公知的系统，其包括：密封圈31、挡板阀（或插板阀）32、压力计33、手动阀34、真空泵35。真空系统设计的核心是真空泵的选择，根据所需真空度和抽速的要求选配合适的干式真空泵，真空泵35通过抽气管与动密封圈22连接对其进行抽气。真空系统配备挡板阀32用于根据密封情况需要控制是否开启真空系统，手动阀34用来控制抽气速度的大小以在动密封圈唇形挡圈形成的两个密封腔体内形成不同的压力，压力计33用于对抽气过程的真空度进行监测。通过真空系统的抽气设计，一方面使上述两个密封腔体内积聚的漏气量能及时抽走，另一方面减小密封圈内外形成的压差，通过过渡压力降低动密封的漏气速率，最终保证动密封系统工作的稳定可靠。

在使用过程中安装密封圈时，先检测密封圈定位孔和旋转轴圆度，每隔45°测量一次，共8点，主轴旋转90°、180°、270°各测一圈，据此，调节密封圈安装角度使密封间隙均匀化；密封圈安装完成后进行真空抽气系统管路、容器外阀门及真空泵的安装，在两个抽气管安装时，将抽气管插入密封法兰安装口内，确保抽气管不会与其他零件干涉后，再将抽气管与试件法兰焊接固定。

其中，抽气管经真空容器法兰引出容器，在容器外依次完成挡板阀、压力计、手动阀和真空泵的安装。

本发明的旋转动密封系统具有以下改进效果：

(1)适用于真空度高达1×10^-5Pa、温度最低达到约-170℃环境下旋转动密封需求，密封介质为空气；

(2)密封口径大于Φ500mm，且轴向安装空间小，解决了大口径真空动密封难题；

(3)采用密封法兰外部包覆隔热多层、腔体内通有循环空气的温控技术，实现了动密封装置在低温环境下的稳定可靠工作。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (9)

1.真空低温环境下适用的大口径旋转动密封系统，包括一个动密封圈、两个静密封圈及两套平行的真空抽气系统，所述动密封圈包括一体成型的三道唇形挡圈，由塑性材料的圆筒形毛坯在其侧壁上依次加工出等距离的三道唇口，相当于三道密封，每两个唇口之间在上述圆筒形毛坯的径向上开设有一个通孔（抽气口），真空容器外设置的两套平行的真空抽气系统通过唇口之间的两个通孔（抽气口）向容器外抽气并通过密封法兰机械固定连接到动密封的部件上，在上述动密封圈的安装面的进出口位置分别设置有一个静密封圈。

2.如权利要求1所述的大口径旋转动密封系统，其中，静密封圈为O形圈，材料为氟橡胶，用于动密封圈与腔体安装面进出口的静密封。

3.如权利要求1所述的大口径旋转动密封系统，其中，所述塑性材料为石墨增强型聚四氟乙烯。

4.如权利要求1-3任一项所述的大口径旋转动密封系统，其中，大口径旋转转动密封系统是指口径在Φ500mm以上。

5.如权利要求1-3任一项所述的大口径旋转动密封系统，其中，真空抽气系统的抽气管与动密封圈的通孔的直径相匹配。

6.如权利要求5所述的大口径旋转动密封系统，其中真空抽气系统有两套，并联安装，分别包括抽气管、挡板阀（或插板阀）、压力计、手动阀和真空泵。

7.如权利要求1所述的大口径旋转动密封系统，其中真空低温环境下大口径旋转动密封系统还包括由真空动密封部件引出的两根金属软管，外径为Φ10mm，有效通气口径为Φ8mm，分别通过真空容器法兰引出容器外，各与一个真空抽气系统相连接。

8.如权利要求7所述的大口径旋转动密封系统，其中，真空容器法兰的外部包覆有10层隔热材料，能使动密封系统工作温度保持在20℃±10℃。

9.如权利要求1-3任一项所述的大口径旋转动密封系统，其中，隔热材料采用双面镀有金属膜的反射屏，屏间置有隔热材料。

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