CN104948185A - 多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，属于掘进机内喷雾水密封装置技术领域，包括壳体、水道、防尘圈、驱动销、一级腔室、隔套环槽、主轴水道、隔套、一级静环、格莱圈、弹簧、同步转盘、定位销、二级静环、三级静环、o型圈、二级腔室油道、三级腔室储油室、三级腔室油道、二级腔室储油室、被驱转盘、泄压阀。本发明采用多个单元构成多级密封腔室进行密封，一级腔室密封单元失效进入下级腔室密封单元；平时下级腔室注满润滑油，用以冷却润滑摩擦副。泄压阀将压力水泄出，起安全和预警双重作用。本发明适应无水干摩擦、超高压水压以及径向和轴向大动态跳动窜动工况环境，能实现内喷雾系统长寿命使用。

Description

多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置

技术领域

本发明属于掘进机内喷雾水密封装置技术领域，特别是涉及到一种多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置。

背景技术

煤矿井下粉尘超标是主要危害之一，可引起爆炸等安全事故、也是尘肺病发病原因，而粉尘主要来源是采、掘工作面，其中掘进机工作时按相关规定，必须开内喷雾，并将喷嘴布置在截割头上截齿旁，当截割煤岩时随截割头旋转并喷出水雾实现降尘、冷却、灭火花功能。

然而，目前内喷雾在掘进工作中作为降尘最为有效手段往往不能使用，究其原因主要是现有的旋转水密封装置寿命较短并且寿命无法预期，有的能使用一两个月而有的只能使用几天，更换新的旋转水密封装置费时费力；另外喷嘴经常堵塞，特别是一些岩泥进入喷嘴后有水泥效应，堵塞喷嘴，经试验发现如果压力水升至20兆帕以上可以解决喷嘴堵塞的问题。

目前旋转水密封有工业用压缩盘根，组合格莱圈等密封单元以及单级机械密封等形式，其特点是轴向旋转密封。而掘进机在实际工作中主轴既有轴向窜动也有径向跳动，并且有时因工作面条件限制不能开喷雾，如在掘进含水量较高软泥岩底板时，需要将内、外喷雾全都关掉，而长时间无水运转会引起密封装置的过热和快速磨损从而导致损坏。

综合以上几点可见新型的旋转水密封装置必须具备如下特征：1，适应轴向窜动即适应量大于主轴轴承报废临界点时窜动量。2，适应径向跳动即适应量大于主轴轴承报废临界点时跳动量。3，适应长时间无水运转。4，工作压力达到20MPa，安全压力大于31.5MPa，以方便井下采用乳化液作水源冲洗喷嘴。5，可靠的保险和预警功能，即一旦旋转水封失效及时提示工作人员，并通过保险机构防止压力水进入主轴润滑油室。6，替换性，轮廓安装尺寸不变，不需对其他相关部件改造，达到拆下原有的水密封部件换上新的整体旋转水封装置即可投入使用。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，用来解决现有的旋转水密封装置寿命较短并且寿命无法预期；内喷雾的喷嘴经常堵塞；目前旋转水密封是轴向旋转密封，工作压力小，不能适应长时间无水运转，没有可靠的保险和预警功能等技术问题。

多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，其特征是：包括壳体、水道、防尘圈、驱动销、一级腔室、隔套环槽、主轴水道、隔套、一级静环、格莱圈、弹簧、同步转盘、定位销、二级静环、三级静环、o型圈、二级腔室油道、三级腔室储油室、三级腔室油道、二级腔室储油室、被驱转盘、泄压阀，所述水道位于壳体的内部，水道与一级腔室固定连接；所述隔套环槽通过管道与一级腔室固定连接；所述主轴水道的一端与隔套环槽固定连接，主轴水道的另一端与掘进机内喷雾的喷嘴连接；所述隔套为同轴空心圆柱体，隔套的内圆柱面上设置有隔套环槽，隔套的外圆柱面的两侧通过螺纹分别与同步转盘和被驱转盘固定连接；

所述一级静环为带有圆形凸台的圆盘，圆盘上设置有通孔，并且圆形凸台、圆盘和通孔同圆心，一级静环的圆盘在与凸台相反的一侧设置有摩擦静环，摩擦静环、圆盘以及圆形凸台为一体结构，并且同圆心，

一级静环的数量为2个，两个一级静环均通过通孔套接在隔套的外部，并且均通过定位销与壳体固定连接，同时两个一级静环的凸台相对并且分别位于一级腔室的两侧，两个一级静环的圆盘之间设置有弹簧，

其中，一个一级静环的凸台与一级腔室、隔套和壳体连接，并且一级静环的凸台与壳体之间设置有格莱圈，一级静环的圆盘通过摩擦静环与同步转盘上设置的摩擦动环活动连接，

另一个一级静环的凸台与一级腔室、隔套和壳体连接，并且一级静环的凸台与壳体之间设置有格莱圈，一级静环的圆盘通过摩擦静环与被驱转盘上设置的摩擦动环活动连接，

所述二级静环为“凹”型结构的圆环，二级静环套接在一级静环的外部，并且通过定位销与壳体固定连接，二级静环与壳体之间设置有o型圈，二级静环的数量为2个，并且两个二级静环之间设置有弹簧，弹簧套在定位销外部，两个二级静环突出的圆环端面分别与同步转盘上设置的摩擦动环和被驱转盘上设置的摩擦动环活动连接；

所述三级静环位于同步转盘的外部，三级静环通过定位销与壳体固定连接，三级静环与同步转盘上设置的摩擦动环活动连接，三级静环与壳体之间设置有o型圈；

所述二级腔室油道的一端与二级腔室储油室固定连接，二级腔室油道的另一端与壳体连接并且延伸至壳体的外边缘，二级腔室油道的数量为三个，其中一个在与壳体连接的端口处设置有泄压阀，第二个在与壳体连接的端口处设置有压力传感器，第三个在与壳体连接的端口处设置有温度传感器；

所述三级腔室油道的一端与三级腔室储油室固定连接，三级腔室油道的另一端与壳体连接并且延伸至壳体的外边缘，三级腔室油道的数量为三个，其中一个在与壳体连接的端口处设置有泄压阀，第二个在与壳体连接的端口处设置有压力传感器，第三个在与壳体连接的端口处设置有温度传感器；

所述二级腔室储油室通过管路分别与一级静环和二级静环连接；所述三级腔室储油室通过管路分别与二级静环和三级静环连接；所述被驱转盘通过驱动销与掘进机的截割部主轴连接，被驱转盘与壳体之间设置有防尘圈。

所述固定一级静环的定位销与固定二级静环的定位销为同一个定位销，定位销的两端分别位于同步转盘上设置的凹槽和被驱转盘上设置的凹槽内，并且定位销的两端均分别与相邻的凹槽留有间隙。

所述同步转盘、二级静环和被驱转盘同轴并列排布，并均通过管道与二级腔室储油室互通，构成二级腔室密封结构，该掘进机内喷雾旋转水密封装置中设置有N个二级腔室密封结构，其中N为自然数。

所述三级静环和同步转盘均通过管道与三级腔室储油室互通，构成三级腔室密封结构，该掘进机内喷雾旋转水密封装置中设置有M个三级腔室密封结构，其中M为自然数。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明具有径向跳动适应性。本发明将原有轴向密封改为径向端面对端面的摩擦副为密封单元，即一级静环上设置的摩擦静环与同步转盘上设置的摩擦动环形成的摩擦副，以及一级静环上设置的摩擦静环与被驱转盘上设置的摩擦动环形成的摩擦副构成密封单元的密封形式，即机械密封形式，成熟可靠，同时加大同步转盘和被驱转盘摩擦端面工作面积，使一级静环端面始终处于摩擦端面内，从而适应较大主轴径向跳动，优化后大于主轴轴承报废临界点时径向最大跳动量从而实现寿命周期内可靠工作。

2、本发明具有轴向窜动适应性。本发明将辅助密封改为缸筒活塞配合形式，壳体内圆为缸筒，一级静环为活塞。采用格莱圈实现密封，允许轴向窜动，从而实现密封单元对主轴轴向窜动适应性，优化后大于主轴轴承报废临界点时轴向窜动量从而实现寿命周期内可靠工作。

3、本发明可适应超高压工作。密封中超过15MPa属于超高压范畴。本发明将辅助密封由o型圈换成格莱圈的使用为实现超高压工作提供保障，通过对隔套、一级静环、同步转盘和被驱转盘和一级静环端面比压等优化设计使工作压力和安全压力达到实际要求，分别达到25MPa和31.5MPa。超高压能起到防堵作用，工作过程中煤尘、煤泥、岩尘、岩泥不能进入喷嘴。或者是常压工作中发生堵塞采用超高压水源冲洗清污，实验表明冲洗至少需要20MPa以上，方便起见不单独设清洗高压泵，而采用井下乳化液清洗，所以将耐压等级设计为乳化液工作压力即31.5MPa。

4、本发明具有无水运转适应性。储油室注满润滑油并通过内部管道充满二级腔室和三级腔室，使一级静环、二级静环、三级静环浸润在润滑油中工作，不必须依靠压力水降温润滑，从而实现无水运转。意义在于适应某些特殊不能开喷雾的工作面，例如含水量较大的软岩工作面。

5、本发明具有安全预警装置。主密封单元失效后，压力水会依次进入二级密封腔室，二级密封单元失效后进入三级密封腔室以此类推，在二级和三级腔室分别设有泄压阀泄压阀将压力水排放到外部，同时警示工作人员密封失效，能最大限度防止压力水进入掘进机主轴齿轮油室。

6、本发明具有更换容易的特点。本发明将原有的水密封部件、浮动密封部件整合为一体式密封总成，保持外部轮廓和安装尺寸不变，符合模块化设计思想。

7、本发明升级潜力大。加装的温度传感器和压力传感器可接入掘进机控制系统；也可以接入智能化系统实现在线监测、自动化控制功能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置的结构示意图。

图中1为壳体、2为水道、3为防尘圈、4为驱动销、5为一级腔室、6为隔套环槽、7为主轴水道、8为隔套、9为一级静环、10为格莱圈、11为弹簧、12为同步转盘、13为定位销、14为二级静环、15为三级静环、16为o型圈、17为二级腔室油道、18为三级腔室储油室、19为三级腔室油道、20为二级腔室储油室、21为被驱转盘、22为泄压阀。

具体实施方式

如图所示，多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，其特征是：包括壳体1、水道2、防尘圈3、驱动销4、一级腔室5、隔套环槽6、主轴水道7、隔套8、一级静环9、格莱圈10、弹簧11、同步转盘12、定位销13、二级静环14、三级静环15、o型圈16、二级腔室油道17、三级腔室储油室18、三级腔室油道19、二级腔室储油室20、被驱转盘21、泄压阀22，所述水道2位于壳体1的内部，水道2与一级腔室5固定连接；所述隔套环槽6通过管道与一级腔室5固定连接；所述主轴水道7的一端与隔套环槽6固定连接，主轴水道7的另一端与掘进机内喷雾的喷嘴连接；所述隔套8为同轴空心圆柱体，隔套8的内圆柱面上设置有隔套环槽6，隔套8的外圆柱面的两侧通过螺纹分别与同步转盘12和被驱转盘21固定连接；

所述一级静环9为带有圆形凸台的圆盘，圆盘上设置有通孔，并且圆形凸台、圆盘和通孔同圆心，一级静环9的圆盘在与凸台相反的一侧设置有摩擦静环，摩擦静环、圆盘以及圆形凸台为一体结构，并且同圆心，

一级静环9的数量为2个，两个一级静环9均通过通孔套接在隔套8的外部，并且均通过定位销13与壳体1固定连接，同时两个一级静环9的凸台相对并且分别位于一级腔室5的两侧，两个一级静环9的圆盘之间设置有弹簧11，

其中，一个一级静环9的凸台与一级腔室5、隔套8和壳体1连接，并且一级静环9的凸台与壳体1之间设置有格莱圈10，一级静环9的圆盘通过摩擦静环与同步转盘12上设置的摩擦动环活动连接，

另一个一级静环9的凸台与一级腔室5、隔套8和壳体1连接，并且一级静环9的凸台与壳体1之间设置有格莱圈10，一级静环9的圆盘通过摩擦静环与被驱转盘21上设置的摩擦动环活动连接，

所述二级静环14为“凹”型结构的圆环，二级静环14套接在一级静环9的外部，并且通过定位销13与壳体1固定连接，二级静环14与壳体1之间设置有o型圈16，二级静环14的数量为2个，并且两个二级静环14之间设置有弹簧11，弹簧11套在定位销13外部，两个二级静环14突出的圆环端面分别与同步转盘12上设置的摩擦动环和被驱转盘21上设置的摩擦动环活动连接；

所述三级静环15位于同步转盘12的外部，三级静环15通过定位销13与壳体1固定连接，三级静环15与同步转盘12上设置的摩擦动环活动连接，三级静环15与壳体1之间设置有o型圈16；

所述二级腔室油道17的一端与二级腔室储油室20固定连接，二级腔室油道17的另一端与壳体1连接并且延伸至壳体1的外边缘，二级腔室油道17的数量为三个，其中一个在与壳体1连接的端口处设置有泄压阀22，第二个在与壳体1连接的端口处设置有压力传感器，第三个在与壳体1连接的端口处设置有温度传感器；

所述三级腔室油道19的一端与三级腔室储油室18固定连接，三级腔室油道19的另一端与壳体1连接并且延伸至壳体1的外边缘，三级腔室油道19的数量为三个，其中一个在与壳体1连接的端口处设置有泄压阀22，第二个在与壳体1连接的端口处设置有压力传感器，第三个在与壳体1连接的端口处设置有温度传感器；

所述二级腔室储油室20通过管路分别与一级静环9和二级静环14连接；所述三级腔室储油室18通过管路分别与二级静环14和三级静环15连接；所述被驱转盘21通过驱动销4与掘进机的截割部主轴连接，被驱转盘21与壳体1之间设置有防尘圈3。

所述固定一级静环9的定位销13与固定二级静环14的定位销13为同一个定位销13，定位销13的两端分别位于同步转盘12上设置的凹槽和被驱转盘上设置的凹槽内，并且定位销13的两端均分别与相邻的凹槽留有间隙。

所述同步转盘12、二级静环14和被驱转盘21同轴并列排布，并均通过管道与二级腔室储油室20互通，构成二级腔室密封结构，该掘进机内喷雾旋转水密封装置中设置有N个二级腔室密封结构，其中N为自然数。

所述三级静环15和同步转盘12均通过管道与三级腔室储油室18互通，构成三级腔室密封结构，该掘进机内喷雾旋转水密封装置中设置有M个三级腔室密封结构，其中M为自然数。

本发明将原有内置旋转水封隔套，浮动密封架，浮动密封座，整合在一起，在不改变轮廓安装尺寸进行内部结构重新设计，采用机械密封原理，即端面对端面摩擦副为密封单元，图1中，在壳体1上安有一级静环9、二级静环14、三级静环15和防尘圈3，一级静环9和壳体1之间的密封由格莱圈10完成，二级静环14和三级静环15的辅助密封由o型圈16完成，一级静环9和二级静环14的防转由公用的定位销13完成，各级静环的初始压紧力和磨损补偿由弹簧11提供，对应的摩擦动环分别集成在同步转盘12和被驱转盘21上，同步转盘12和被驱转盘21通过螺纹连接在隔套8上，构成依次相连的三级腔室密封结构。

主腔室即压力水腔室密封结构采用两道摩擦副，一级静环9和同步转盘12、被驱转盘21对置以平衡压力水产生的轴向应力；二级腔室密封结构采用两道摩擦副，二级静环14和同步转盘12、被驱转盘21对置组成，并通过管道和二级腔室储油室20互通，腔内充满润滑油对一级、二级密封摩擦副润滑冷却；三级腔室密封结构互相独立，根据需要在掘进机主轴齿轮油室侧采用摩擦副密封单元三级静环15和同步转盘12，在掘进机截割头侧采用防尘圈3密封单元，通过对各级静环的端面比压合理设计，将安全工作压力提高到31.5兆帕，达到掘进机配套要求。径向跳动量冗余通过加宽同步转盘12和被驱转盘21上的摩擦端面实现，轴向窜动量通过辅助密封处将通常使用的o型圈，改为格莱圈10，并优化接触部位预留超过窜动极限量，主环辅助密封格莱圈10的使用也使工作压力得以提高。同时将其它结余空间充分利用起来，做成三级腔室储油室18和二级腔室储油室20，通过内部管路联通各级密封腔，加注润滑油后各级摩擦副均浸润其中，解决端面润滑降温问题，从而实现无水运转功能。从每个储油室各引出3条管路至外壳边缘，加装温度传感器、压力传感器、螺塞和泄压阀22，分别用于温度检测、压力检测、加油、放油以及超压泄出。当一级密封端面失效后，压力水进入二级腔室储油室20经泄压阀22排出，不会进入主轴润滑油中，同时泄出水流起到警示作用。

本发明的工作过程：

经二级腔室油道17和三级腔室油道19分别注润滑油至二级腔室储油室20和三级腔室储油室18，润滑油对各级摩擦副润滑冷却从而实现无水工作，旋转来自主轴旋转驱动力，由驱动销4传给被驱转盘21，被驱转盘21传给隔套8，隔套8传给同步转盘12，从而完成摩擦副相对旋转工作。压力水经水道2进入一级腔室5，再经隔套环槽6进入主轴水道7流至喷嘴完成喷雾。一级密封腔密封单元一旦失效后压力水进入二级腔室储油室20经泄压阀22排出，排出水流起到警示作用，安全起见，在掘进机主轴齿轮油室侧加装第三极摩擦副密封起到双重保险作用防止压力水进入主轴润滑油中，掘进机截割头侧第三极密封则采用防尘圈3，温度传感器和压力传感器实时监测其所在密封腔室内的温度和压力。

该装置应用机械密封原理，即端面对端面旋转摩擦副为密封单元，采用多个单元构成多级密封腔室，密封腔室依次相连，一级腔室5用以密封压力水，其它腔室起保险和润滑作用，即一级腔室密封单元失效进入二级腔室储油室20，二级腔室密封单元失效进入三级腔室储油室18，以此类推；平时二级、三级腔室充满润滑油，用以冷却润滑摩擦副，同时泄压阀22将压力水泄出以防进入掘进机主轴齿轮油室，起安全和预警双重作用。本发明的新型密封装置可适应无水干摩擦、超高压水压31.5MPa以及径向和轴向大动态跳动窜动工况环境，以实现内喷雾系统长寿命使用。

Claims (4)

1.多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，其特征是：包括壳体(1)、水道(2)、防尘圈(3)、驱动销(4)、一级腔室(5)、隔套环槽(6)、主轴水道(7)、隔套(8)、一级静环(9)、格莱圈(10)、弹簧(11)、同步转盘(12)、定位销(13)、二级静环(14)、三级静环(15)、o型圈(16)、二级腔室油道(17)、三级腔室储油室(18)、三级腔室油道(19)、二级腔室储油室(20)、被驱转盘(21)、泄压阀(22)，所述水道(2)位于壳体(1)的内部，水道(2)与一级腔室(5)固定连接；所述隔套环槽(6)通过管道与一级腔室(5)固定连接；所述主轴水道(7)的一端与隔套环槽(6)固定连接，主轴水道(7)的另一端与掘进机内喷雾的喷嘴连接；所述隔套(8)为同轴空心圆柱体，隔套(8)的内圆柱面上设置有隔套环槽(6)，隔套(8)的外圆柱面的两侧通过螺纹分别与同步转盘(12)和被驱转盘(21)固定连接；

所述一级静环(9)为带有圆形凸台的圆盘，圆盘上设置有通孔，并且圆形凸台、圆盘和通孔同圆心，一级静环(9)的圆盘在与凸台相反的一侧设置有摩擦静环，摩擦静环、圆盘以及圆形凸台为一体结构，并且同圆心，

一级静环(9)的数量为2个，两个一级静环(9)均通过通孔套接在隔套(8)的外部，并且均通过定位销(13)与壳体(1)固定连接，同时两个一级静环(9)的凸台相对并且分别位于一级腔室(5)的两侧，两个一级静环(9)的圆盘之间设置有弹簧(11)，

其中，一个一级静环(9)的凸台与一级腔室(5)、隔套(8)和壳体(1)连接，并且一级静环(9)的凸台与壳体(1)之间设置有格莱圈(10)，一级静环(9)的圆盘通过摩擦静环与同步转盘(12)上设置的摩擦动环活动连接，

另一个一级静环(9)的凸台与一级腔室(5)、隔套(8)和壳体(1)连接，并且一级静环(9)的凸台与壳体(1)之间设置有格莱圈(10)，一级静环(9)的圆盘通过摩擦静环与被驱转盘(21)上设置的摩擦动环活动连接，

所述二级静环(14)为“凹”型结构的圆环，二级静环(14)套接在一级静环(9)的外部，并且通过定位销(13)与壳体(1)固定连接，二级静环(14)与壳体(1)之间设置有o型圈(16)，二级静环(14)的数量为2个，并且两个二级静环(14)之间设置有弹簧(11)，弹簧(11)套在定位销(13)外部，两个二级静环(14)突出的圆环端面分别与同步转盘(12)上设置的摩擦动环和被驱转盘(21)上设置的摩擦动环活动连接；

所述三级静环(15)位于同步转盘(12)的外部，三级静环(15)通过定位销(13)与壳体(1)固定连接，三级静环(15)与同步转盘(12)上设置的摩擦动环活动连接，三级静环(15)与壳体(1)之间设置有o型圈(16)；

所述二级腔室油道(17)的一端与二级腔室储油室(20)固定连接，二级腔室油道(17)的另一端与壳体(1)连接并且延伸至壳体(1)的外边缘，二级腔室油道(17)的数量为三个，其中一个在与壳体(1)连接的端口处设置有泄压阀(22)，第二个在与壳体(1)连接的端口处设置有压力传感器，第三个在与壳体(1)连接的端口处设置有温度传感器；

所述三级腔室油道(19)的一端与三级腔室储油室(18)固定连接，三级腔室油道(19)的另一端与壳体(1)连接并且延伸至壳体(1)的外边缘，三级腔室油道(19)的数量为三个，其中一个在与壳体(1)连接的端口处设置有泄压阀(22)，第二个在与壳体(1)连接的端口处设置有压力传感器，第三个在与壳体(1)连接的端口处设置有温度传感器；

所述二级腔室储油室(20)通过管路分别与一级静环(9)和二级静环(14)连接；所述三级腔室储油室(18)通过管路分别与二级静环(14)和三级静环(15)连接；所述被驱转盘(21)通过驱动销(4)与掘进机的截割部主轴连接，被驱转盘(21)与壳体(1)之间设置有防尘圈(3)。

2.根据权利要求1所述的多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，其特征是：所述固定一级静环(9)的定位销(13)与固定二级静环(14)的定位销(13)为同一个定位销(13)，定位销(13)的两端分别位于同步转盘(12)上设置的凹槽和被驱转盘上设置的凹槽内，并且定位销(13)的两端均分别与相邻的凹槽留有间隙。

3.根据权利要求1所述的多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，其特征是：所述同步转盘(12)、二级静环(14)和被驱转盘(21)同轴并列排布，并均通过管道与二级腔室储油室(20)互通，构成二级腔室密封结构，该掘进机内喷雾旋转水密封装置中设置有N个二级腔室密封结构，其中N为自然数。

4.根据权利要求1所述的多级机械密封式掘进机内喷雾旋转水密封装置，其特征是：所述三级静环(15)和同步转盘(12)均通过管道与三级腔室储油室(18)互通，构成三级腔室密封结构，该掘进机内喷雾旋转水密封装置中设置有M个三级腔室密封结构，其中M为自然数。