CN104989830A - 密封液体的多级磁性液体密封装置 - Google Patents

Abstract

密封液体的多级磁性液体密封装置，属于机械工程密封领域。成功解决了现有密封形式无法避免磁性液体与被密封液体介质互溶或相互污染的问题。该装置包括限位环(3)与轴(22)上螺旋密封槽形成的第一级密封，压力传感器与压力控制阀(7)、弹簧(5)、静环(6)以及动环(8)形成的第二级密封，第一密封组件形成的第三级密封，第一级密封主要对密封腔内被密封的液体介质起到密封作用，第二级密封在轴(22)不转动时起静密封作用，在工作状态下靠气体压力将静环(6)与动环(8)隔开并对密封腔内被密封的液体介质起到密封作用，使得被密封介质与磁性液体(23)不接触，第三级密封对充入静环(6)与左极靴(10)之间空腔内的气体起密封作用。

Description

密封液体的多级磁性液体密封装置

技术领域

本发明涉及一种密封液体的多级磁性液体密封装置，属于机械工程密封技术领域，特别适用于磁性液体与被密封介质可以互溶或者互相污染情况下的密封。

背景技术

目前主流的密封方式是机械密封，然而单纯的机械密封做不到零泄漏，而且磨损量大容易对密封介质或者工作环境产生污染，磁性液体密封技术由于其具有零泄漏、无磨损，寿命长，结构简单等优点逐渐被越来越多的行业所使用，然而单纯的磁性液体密封当密封介质为液体时，磁性液体易与被密封的液体互溶或互相污染。

现有磁性液体密封结构，如对比文献1(授权公告号CN203670800U的申请专利)所述、对比文献2(公开号CN103775652A的申请专利)所述、对比文献3(公开号CN103759009A的申请专利)所述、对比文献4(公开号CN104165230A的申请专利)所述、对比文献5(申请号CN201310556884.4的申请专利)所述、对比文献6(申请号JP平4—119267A的申请专利)所述，当密封液体介质时，存在的具体问题如下：

对比文献1(授权公告号CN203670800U的申请专利)所述的用于密封液体的磁性液体密封装置，该装置包括转轴、轴套密封圈、固定销、轴套、动环、动环密封圈、静环、静环密封圈、弹簧、左隔磁环、左极靴密封圈、左极靴、永磁体、右极靴、右极靴密封圈、右隔磁环、螺纹端盖。该专利通过注入磁性液体作为隔离流体，将被密封介质和磁性液体密封隔开，避免被密封液体污染磁性液体密封，然而，该专利无法避免作为隔离流体的磁性液体对被密封液体介质产生的污染，因此不具备实用价值。

对比文献2(公开号CN103775652A的申请专利)所述的一种双螺旋磁性液体密封装置，该装置包括转轴、外壳、左螺旋套、永磁体、右螺旋套、轴套等，该专利通过螺旋密封和磁性液体密封共同起作用，虽然解决了在机器启动和停车阶段的密封问题，但该专利在整个使用过程中无法避免被密封液体介质与磁性液体的接触，因而该专利仍然无法解决被密封液体介质与磁性液体的互溶以及互相污染的问题。

对比文献3(公开号CN103759009A的申请专利)所述的一种流体动压式磁性液体密封装置，包括螺钉、端盖、第一密封圈、循环配管进口路径、磁性液体循环系统、循环配管出口路径、第二密封圈、左极靴、环形永磁体、右极靴、第三密封圈、外壳、隔磁环、螺纹端盖、轴套、第一紧定螺钉、动环、第二紧定螺钉、第四密封圈、第五密封圈、楔状流体型槽、轴。该专利利用了流体动压密封耐高压的特点和磁性液体密封零泄漏的特点，虽然可以做到对液体密封介质的零泄漏，然而由于无法避免被密封液体介质与磁性液体的接触，仍然无法解决被密封液体介质与磁性液体的互溶以及互相污染的问题。

对比文献4(公开号CN104165230A的申请专利)所述的通气式气冷磁性液体密封装置，该装置包括外壳、第一极靴、第一永磁体、第二极靴、第二永磁体、第三极靴、轴套、螺钉、端盖、通气接头、第一橡胶密封圈、第二橡胶密封圈、第三橡胶密封圈、磁性液体，该专利通入的气体的作用是带走热量冷却该装置，通过磁性液体形成的“O”型密封圈可以达到零泄漏的密封要求，然而由于无法避免被密封液体介质与磁性液体的接触，仍然无法解决被密封液体介质与磁性液体的互溶以及互相污染的问题。

对比文献5(申请号CN201310556884.4的申请专利)所述的充气式磁性液体旋转密封装置，构成该装置包括：垫圈、外壳、第一极靴、第一永磁体、第二极靴、第二永磁体、第三极靴、第三永磁体、第四极靴、螺钉、挡圈、卡簧、轴套、第四橡胶密封圈、第三气道、第三气压控制阀、第三橡胶密封圈、第二气压控制阀、第二气道、第二橡胶密封圈、第一气压控制阀、第一气道、第一橡胶密封圈、橡胶密封圈，该装置通过在第一永磁体内径与轴套外径之间的空腔抽真空，在第二永磁体内径与轴套外径之间的空腔充入CO₂或惰性气体，在第三永磁体内径与轴套外径之间的空腔抽真空，使得危险气体、尤其是爆炸性气体不会与空气直接接触，解决了安全隐患问题，但该装置只能用于密封气体介质，当被密封介质为液体时，该装置仍然无法使磁性液体与被密封液体介质分离，因此无法避免磁性液体与被密封液体介质互溶或相互污染。

对比文献6(申请号JP平4—119267A的申请专利)所述的一种充气式磁性液体旋转密封装置，该装置在被密封的装置内部与外部之间形成充气式磁性流体密封结构，防止内部被密封的危险工作气体向外部泄漏造成危害，但是该装置只能用于密封气体介质，当被密封介质为液体时，充入的气体无法形成气膜对液体介质形成可靠密封，而且即使可以形成气膜，在轴静止和转动时都需要充入气体，因此外接气泵需要持续工作，从而造成寿命缩短和能源浪费，因此当被密封介质为液体时该旋转密封装置不具有实用价值。

因此急需对密封装置的结构进行重新设计和改进，使其能够避免磁性液体与被密封液体介质互溶或相互污染。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有密封形式由于其自身结构缺陷，当密封介质为液体时，磁性液体与被密封的液体互溶或相互污染而导致密封失效。

本发明解决的技术问题采取的方案是：

密封液体的多级磁性液体密封装置，该装置包括外壳、第一轴承、限位环、第一外壳卡环、弹簧、静环、压力传感器与气压控制阀、动环、紧定螺钉、左极靴、永磁体、右极靴、隔磁挡环、外壳橡胶密封圈、左卡环、挡环、限位环橡胶密封圈、静环橡胶密封圈、动环橡胶密封圈、第二外壳卡环、左极靴橡胶密封圈、轴、磁性液体、右极靴橡胶密封圈、第二轴承、右卡环、螺纹端盖。

所述外壳为具有一定壁厚的圆筒状，一端加工有法兰盘，法兰盘的端面加工有密封槽，法兰盘的四周均匀加工有四个通孔，外壳的另一端加工有内螺纹，外壳体的圆柱外表面上加工有一个通孔，通孔外接压力传感器和气压控制阀以及外界压力气源，外壳内壁加工有两个卡环槽。

所述轴表面上加工有螺旋槽，螺旋槽的尺寸参数,即，槽宽、槽深、螺旋槽的螺旋升角和螺旋槽的轴段长度均按照螺旋密封的设计参数进行选取，轴上的螺旋槽起到螺旋密封的作用，对被密封液体进行降压作用。即，该螺旋槽的螺纹旋进方向与轴转动状态下的旋转方向相同，使得在轴转动时，该螺纹槽对其右端的被密封液体产生减压作用，使轴转动状态下螺旋槽右端的被密封液体由于螺旋槽的减压作用所产生的压力P₀-P₁小于静止状态下螺旋槽右端的被密封液体压力P₀，即，从轴右端向左端看，当轴为逆时针旋转时，螺旋槽的旋向应该加工成左旋，当轴为顺时针旋转时，螺旋槽的旋向应该加工成右旋。

密封腔内被密封液体介质的压力为P₀，轴上螺旋密封槽形成第一级密封，其耐压能力为P₁，静环与动环的结合力为P₂；当转轴静止时，螺旋密封槽不工作，第二级密封和第三级密封之间的腔室内为大气压，静环与动环由于承受被密封液体和弹簧的共同挤压作用而紧密贴合，从而对被密封液体进行密封；当转轴旋转时，螺旋密封槽开始工作，通过向压力控制阀与外壳上通孔逐渐通入气体，该气体压力为P₃，磁性液体密封组件与轴形成的第三级密封耐压值P4，压力关系满足P₄＞P₃≥P₀+P₂-P₁，静环与动环被外加气体分开，同时气压在静环与动环之间形成气膜，从而对被密封液体进行密封。该压力关系使得在轴静止时，由紧闭的静环和动环对被密封液体进行密封；在轴转动时，从外壳通孔充入气体，该气体将静环和动环分隔，而该气体被磁性液体密封构成的第三级密封和被密封液体所封堵，无法向外界和被密封液体腔内泄漏，从而使得气体在静环和动环之间形成气膜对被密封的液体进行密封，也避免了被密封液体与磁性液体的接触产生互溶或相互污染，同时，还可以避免静环和动环之间接触所产生的磨损(如以往机械密封静环和动环之间的磨损)，造成轴在静止后静环和动环紧闭后密封的失效。由磁性液体密封构成的第三级密封无论在轴转动或静止状态，都完全与被密封液体隔开。通过这种间接方式实现了磁性液体密封对液体介质的密封。

所述静环的外圆柱面加工有密封槽用于安装橡胶密封圈，静环左端面与弹簧固定连接，右端面加工有凸台，静环选用硬度不太大且具有一定韧性的材料，静环与轴之间的单边间隙小于或等于限位环与轴之间的单边间隙。从而避免被密封液体通过螺旋槽的加压后在静环与轴之间产生溅射作用。

所述永磁体为圆环状，外径尺寸与左、右极靴的外径尺寸相同，材料为铷铁硼。

本发明的有益效果：

(1)通过控制外接压力泵以及压力控制阀，使得轴在转动时，轴上的螺旋槽起到减压的作用，同时通入气体使得磁性液体与被密封介质隔离，避免了磁性液体与被密封介质产生互溶和污染且能达到零泄漏的密封要求；(2)工作过程中通入气体使得动环与静环被气膜隔开，大大减小了工作转矩且不会对工作环境产生污染，同时使得动环和静环之间不会造成磨损，从而在轴静止时，通过压力泵以及压力控制阀将第二级密封和第三级密封之间空腔内的气体抽出，使得动环与静环闭合起到静密封的作用，从而仍然能够保证零泄漏。

附图说明

图1密封液体的多级磁性液体密封装置。

图1中：外壳1、第一轴承2、限位环3、第一外壳卡环4、弹簧5、静环6、压力控制阀7、动环8、紧定螺钉9、左极靴10、永磁体11、右极靴12、隔磁挡环13、外壳橡胶密封圈14、左卡环15、挡环16、限位环橡胶密封圈17、静环橡胶密封圈18、动环橡胶密封圈19、第二外壳卡环20、左极靴橡胶密封圈21、轴22、磁性液体23、右极靴橡胶密封圈24、第二轴承25、右卡环26、螺纹端盖27。

具体实施方式

以附图为具体实施方式对本发明作进一步说明：

密封液体的多级磁性液体密封装置，该装置包括外壳1、第一轴承2、限位环3、第一外壳卡环4、弹簧5、静环6、压力控制阀7、动环8、紧定螺钉9、左极靴10、永磁体11、右极靴12、隔磁挡环13、外壳橡胶密封圈14、左卡环15、挡环16、限位环橡胶密封圈17、静环橡胶密封圈18、动环橡胶密封圈19、第二外壳卡环20、左极靴橡胶密封圈21、轴22、磁性液体23、右极靴橡胶密封圈、24第二轴承25、右卡环26、螺纹端盖27，

构成该装置的各部分之间的连接：

装配时先将第一轴承2装入到外壳1内腔的左端，使得第一轴承2紧靠外壳1左端的凸台，然后装入挡环16，使得挡环16紧贴第一轴承2右端面，将限位环橡胶密封圈17装入到限位环3的密封槽内，把限位环3装入到外壳1中，使得限位环3紧贴挡环16右端面，将第一外壳卡环4装入外壳1内腔左侧的卡环槽中，将静环橡胶密封圈18装入到静环6的密封槽中，把静环6左端面与弹簧5的右端固定连接之后装入到外壳1中，使得弹簧5的左端与限位环3的右端面固定连接，将动环橡胶密封圈19装入动环8密封槽中，用紧定螺钉9将动环8与轴22固定连接，将第二卡环20装入外壳1内壁右端的卡环槽内，将固定连接有动环8的轴22装入外壳1中，保证轴22上的螺旋密封槽正对限位环3，且弹簧5有一定的预紧力，使得在轴22不转动的状态下，静环6与动环8紧密结合，将左卡环15装入到轴22左端的卡环槽中，此时，轴22上的螺旋密封槽与限位环3形成第一级密封，静环6、压力控制阀7、动环8形成第二级密封。

把左极靴橡胶密封圈21和右极靴橡胶密封圈24分别装在左极靴10和右极靴12的密封槽中，把永磁体11用胶接的方式粘结在左极靴10和右极靴12之间，在永磁体11的内径注入磁性液体23形成第一密封组件，把第一密封组件装入外壳1内腔，使得第一密封组件中左极靴10左端面紧靠第二卡环20，然后将隔磁挡环13装入外壳1内腔，使得隔磁挡环13紧贴右极靴12右端面，此时，第一密封组件与轴22形成第三级密封，把第二轴承25装入外壳1中，隔磁挡环13使得右极靴12与第二轴承25在轴向分开一段距离，这样右极靴12与第二轴承25之间的空气增大了两者之间的磁阻，能够有效防止磁力线过多地进入第二轴承25而引起的极靴与轴的密封间隙内磁场强度降低，再把右卡环26装入轴22的右卡环槽，将端盖27装入外壳1中，连接方式为螺纹连接，最后将外壳1压力控制阀7与外界压力气源相连，形成可靠的密封装置。

外壳1左端法兰盘上周向均布的四个通孔，用于密封液体的多级磁性液体密封装置与密封腔的连接，密封腔内被密封的介质是液体，密封腔内被密封液体介质的泄漏压力P0，轴22上螺旋密封槽形成的第一级密封耐压值P1，静环6与动环8结合力P2，工作状态下通过压力控制阀7与外壳1上通孔通入气体压力为P₃，第一密封组件与轴22形成的第三级密封耐压值P₄，压力关系满足P₄＞P₃≥P₀+P₂-P₁，轴22不转动时，不向外壳1内通入气体，在弹簧5预紧力作用之下，静环6与动环8紧密结合，有效阻止密封腔内被密封介质的泄漏，轴22开始转动时，在一段时间内轴22上螺旋密封槽形成的第一级密封起作用足以阻止被密封液体介质泄漏，一段时间后，轴22上螺旋密封槽形成的第一级密封无法阻止被密封液体介质泄漏时，外壳1上的通孔外接的外界压力气源在压力传感器和压力控制阀7的控制下向外壳1内充入气体，由于P₃≥P₀+P₂-P₁，被密封液体介质无法泄漏，且静环6与动环8在P3作用之下分开，分开的间隙大于机械密封中动静环之间的间隙，静环6与动环8之间形成气膜，大大减小了静环6与动环8之间的摩擦力从而使得轴的工作转矩大大降低，此时充入的气体将充满在静环6与左极靴10之间的空腔中，而左极靴10、永磁体11、右极靴12磁性液体23形成第一密封组件与轴22组成的第三级密封对静环6与左极靴10之间的空腔内的气体起到了可靠的密封作用，同时，将使得被密封介质与磁性液体23不接触，能够完全避免磁性液体23与被密封介质互溶或者互相污染，当需要停车时，轴22转速逐渐降低，此时需要将外壳1中的气体抽出一部分，随着轴22的转速不同，P₀-P₁的值会随着轴22的转速而变化，整个过程中应使得P₃与P₀-P₁的值同步变化，始终满足压力关系P₄＞P₃≥P₀+P₂-P₁。

Claims (4)

1.密封液体的多级磁性液体密封装置，其特征在于：该装置包括外壳(1)、第一轴承(2)、限位环(3)、第一外壳卡环(4)、弹簧(5)、静环(6)、压力控制阀(7)、动环(8)、紧定螺钉(9)、左极靴(10)、永磁体(11)、右极靴(12)、隔磁挡环(13)、外壳橡胶密封圈(14)、左卡环(15)、挡环(16)、限位环橡胶密封圈(17)、静环橡胶密封圈(18)、动环橡胶密封圈(19)、第二外壳卡环(20)、左极靴橡胶密封圈(21)、轴(22)、磁性液体(23)、右极靴橡胶密封圈(24)、第二轴承(25)、右卡环(26)、螺纹端盖(27)，该密封装置左端与密封腔相连，密封腔内被密封的介质为液体，将第一轴承(2)装入到外壳(1)内腔的左端，然后装入挡环(16)，并紧贴第一轴承(2)的右端，将限位环橡胶密封圈(17)装入到限位环(3)的密封槽内，把限位环(3)装入到外壳(1)中，并紧贴挡环(16)的右端，将第一外壳卡环(4)装入外壳(1)内腔左侧的卡环槽中，将静环橡胶密封圈(18)装入到静环(6)的密封槽中，把静环(6)左端面与弹簧(5)的右端固定连接之后装入到外壳(1)中，并使得弹簧(5)的左端与限位环(3)的右端面固定连接，将动环橡胶密封圈(19)装入动环(8)密封槽中，用紧定螺钉(9)将动环(8)与轴(22)固定连接，将第二卡环(20)装入外壳(1)内壁右端的卡环槽内，将固定连接有动环(8)的轴(22)装入外壳(1)中，保证轴22上的螺旋密封槽正对限位环(3)，且弹簧(5)有一定的预紧力，使得在轴(22)静止的状态下，静环(6)与动环(8)紧密结合，将左卡环(15)装入到轴(22)左端的卡环槽中，此时，轴(22)上的螺旋密封槽与限位环(3)形成第一级密封；静环(6)、压力控制阀(7)、动环(8)形成第二级密封；把左极靴橡胶密封圈(21)和右极靴橡胶密封圈(24)分别装在左极靴(10)和右极靴(12)的密封槽中，把永磁体(11)固定连接在左极靴(10)和右极靴(12)之间，在永磁体(11)的内径注入磁性液体(23)形成磁性液体密封组件，把磁性液体密封组件装入外壳(1)内腔，使得磁性液体密封组件中左极靴(10)左端面紧靠第二卡环(20)，然后将隔磁挡环(13)装入外壳(1)内腔；磁性液体密封组件与轴(22)形成第三级密封；外壳(1)圆柱外表面上加工有一个通孔，压力控制阀(7)的上部接口与外部气压泵相连接，下部接口与外壳(1)上的通孔相连；所述压力控制阀(7)由控制阀和压力传感器构成。

2.根据权利要求1所述的密封液体的多级磁性液体密封装置，其特征在于：

密封腔内被密封液体介质的压力为P₀，轴(22)上螺旋密封槽形成第一级密封，其耐压能力为P₁，静环(6)与动环(8)的结合力为P₂；当转轴静止时，螺旋密封槽不工作，第二级密封和第三级密封之间的腔室内为大气压，静环(6)与动环(8)由于承受被密封液体和弹簧(5)的共同挤压作用而紧密贴合，从而对被密封液体进行密封；当转轴旋转时，螺旋密封槽开始工作，通过向压力控制阀(7)与外壳(1)上通孔逐渐通入气体，该气体压力为P₃，磁性液体密封组件与轴(22)形成的第三级密封耐压值P₄，压力关系满足P₄＞P₃≥P₀+P₂-P₁，静环(6)与动环(8)被外加气体分开，同时气压在静环(6)与动环(8)之间形成气膜，从而对被密封液体进行密封。

3.根据权利要求1或2所述的密封液体的多级磁性液体密封装置，其特征在于：

静环(6)与动环(8)被气压分离的间隙大于机械密封中动、静环之间的间隙，减小了静环(6)与动环(8)之间的摩擦力,使得轴(22)的工作转矩降低。

4.根据权利要求1所述的密封液体的多级磁性液体密封装置，其特征在于：

所述压力控制阀(7)用于在轴(22)静止时，将第二级密封和第三级密封之间的气体抽出，在轴(22)转动时，向第二级密封和第三级密封之间充入气体。