CN106090034A - 一种球面迷宫密封系统以及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面迷宫密封系统以及制造工艺，该密封系统中具有与调心轴承球面同心的球面状迷宫通道。该密封系统利用成对制作相互配合的装配状态下的内、外圈的制作工艺制成。本发明提供的球面迷宫密封系统，能够在轴承外壳轴线对主轴轴线发生小角度偏摆的情况下仍可正常工作，可有效解决现有技术所存在的问题。同时针对性的提供的制造工艺，解决了以传统工艺方法无法实现的制作、安装、使用等问题。

Description

一种球面迷宫密封系统以及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种轴承密封技术，具体涉及轴承迷宫形密封技术。

背景技术

对于内外圈同轴相对转动的轴承类机械零件，为了保证系统的正常工作，都需要有一个良好的“工作环境”，所谓良好的“工作环境”，是指，首先系统要有个洁净、无污染的工作空间，其内没有任何妨碍系统内机械零件正常工作的杂物存在。其次，系统内的每对运动摩擦付间要存有性能良好的润滑介质，以避免相对运动零件间出现干接触、干摩擦现象，借此来来提高设备的工作质量和使用寿命。为此，各种形式的密封系统应运而生。

各种各样的密封系统可归纳为接触式旋转密封系统和非接触式旋转密封系统二大类。

参见图1，其所示为接触式旋转密封系统的基本形式，所谓“接触”是指参与完成密封任务的一对零件，在相对旋转工作时相互接触，间隙几乎为零，隔断了工作空间与外部的联系，形成密封效果。图示方案中，调心滚子轴承1通过密封圈2来实现密封。

通过长期的工程实践探索，人们发现，在有些场合这类接触式密封系统就不太适用了。比如：环境温度比较高的场合。由于接触式旋转密封系统的密封圈3，大部分用容易老化的橡胶材料制成，在高温环境下，一旦材料老化，橡胶密封圈就会很快损坏，整个密封系统也随之失效。

另外，有些工作环境特别恶劣的场合，黄沙漫天飞舞，细小的沙粒极易渗入密封系统摩擦付之间，导致密封系统摩擦付的磨损速度大大加快，使整个密封系统很快失效。有些煤矿机械甚至直接浸泡在泥浆中工作等等。

上述这些场合，密封系统需要保护的对象多数是轴承类部件。许多轴承类部件具有工作载荷比较大，润滑介质采用润滑脂的特点。润滑脂类工作介质，粘度高，流动性差，可以很好的粘附在被润滑的物体表面。

针对这些特点，工程师们研究出了“非接触式旋转密封系统”，用来解决以润滑脂为润滑介质场合的密封问题，最典型的应用案例就是如图2所示的“迷宫式旋转密封系统”。

与“接触式旋转密封系统”完全不同，接触式旋转密封圈是利用密封材料之间的的直接接触来阻挡内部工作介质的溢出和外界杂物的进入。

而迷宫式密封系统3是在被保护件的内外空间之间设置一条间隙仅为0.5-1mm左右、形状似迷宫的通道，当内部空间的润滑脂沿迷宫通道向外溢出时，由于润滑脂的粘度较高，会被狭窄的迷宫通道阻挡而滞留在通道内部。滞留的润滑脂对外部试图进入内腔的杂质构成了有效的阻挡。同时，在轴承转动或添加润滑脂时，润滑脂会夹带着轴承磨损产生的细微金属颗迷向外溢出，起到了净化轴承内部空间的作用。润滑脂向外溢出的过程中，还将已经进入迷宫通道内部的杂物向外推出，上述几种效果的叠加，就是迷宫式旋转密封系统的工作原理。由于迷宫式旋转密封系统的转动圈和静止圈之间没有直接接触，不存在摩擦磨损问题，只要密封圈材料本身没有变质损坏，就可以一直正常工作，有很长的使用寿命。

实际应用中，迷宫式密封圈3大多用尼龙或ABS等材料制作，成型方法一般采用热熔注塑工艺，制作成本低，应用场合多，范围广，更换方便，是一种非常实用的密封系统。

上述二种密封系统有一个共同的特点，即：它们的转动圈和静止圈的回转中心都是一根直线。当动静二圈配合在一起工作时，二轴线的同轴精度愈高，其工作状态愈好，反之，则越来越差。但是，不是所有轴承的动静二圈都是同轴线转动配合付。比如：调心滚子轴承(GB/T288)或调心球轴承(GB/T281)和关节轴承(GB/T304)等调心类轴承(见图3)。

调心类轴承的特点是，轴承在球面滚道外圈与双滚道内圈之间装有球面滚子或钢球，可以在自身的外圈相对内圈存在小角度偏摆的状态下正常工作，一般而言，这个角度为1.5°-2.5°左右。

调心轴承的这种性能，解决了许多工程实际中的难题，尤其是安装在主轴类零件二端，配对使用的调心轴承，受限于加工精度、现场安装使用条件等因素，要确保二轴承外圈轴线与主轴之间都有良好的同轴度工况是有一定困难的。如果二轴承分别安装在不同的基座上，这种偏差更是不可避免，所以，在这种场合使用调心轴承几乎是工程师的必然选择，见图4：

图4a所示为某型矿用皮带运输机改向滚筒的示意图；

图4b所示为某大型观览车主轴的示意图；

图4c所示为某型观览车轿厢轴的示意图。

在这些应用实例中，调心轴承配的都是接触式密封圈，因无法适应轴承座轴线与主轴轴线有一些偏差的实际情况，密封系统经常会损坏，有时修复不及时，还会连带损坏轴承，最后导致整台设备停止工作。

由此可见提供一种能够与调心轴承配套使用的密封系统，且这种密封系统应该在轴承外壳轴线对主轴轴线发生小角度偏摆的情况下仍可正常工作，是本领域亟需解决的问题。

发明内容

针对现有调心轴承密封系统无法适应轴承座轴线与主轴轴线有一些偏差，经常出现损坏的问题，本发明的目的在于提供一种能够在轴承外壳轴线对主轴轴线发生小角度偏摆的情况下仍可正常工作的密封系统。

在此基础上，还提供一种能够高效制作该密封系统的制作工艺。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

方案1：提供一种球面迷宫密封系统，所述密封系统中具有与调心轴承球面同心的球面状迷宫通道。

优选的，所述密封系统包括相互配合的内圈和外圈，所述内圈和外圈均作有至少二圈同心球面状板翅，所述内圈基体上的球面状板翅的球心与轴承球心重合，所述外圈基体上的球面状板翅的球心也与轴承球心重合，由内圈和外圈的球面状板翅相互交错构成一球面形迷宫通道。

优选的，所述球面状板翅上设有阻尼结构。

优选的，所述阻尼结构为网状阻尼条。

优选的，所述阻尼结构为若干根阻尼筋，阻尼筋的高度与球面形迷宫通道的高度配合，以形成一道密封带。

优选的，所述密封系统中的静止圈内设有用于热交换的环形通道。

优选的，所述密封系统的内圈和外圈中，截面尺寸较大的部分为蜂窝结构。

方案2：提供一种球面迷宫密封系统的制作工艺，所述制作工艺成对制作球面迷宫密封系统中相互配合的装配状态下的内、外圈。

优选的，所述制作工艺利用3D逐层打印的成型工艺，成对制作相互交错配合处于装配状态下的内、外圈。

优选的，所述制作工艺包括如下步骤：

(1)在3D打印设备中绘制完成球面迷宫密封系统的三维图像模型，此时球面迷宫密封系统中的内、外圈处于相互配合的装配状态；

(2)选择打印过程所需的支撑材料；

(3)利用3D打印设备根据绘制的模型逐层打印相互交错配合处于装配状态下的内、外圈，得到球面迷宫密封系统成品。

优选的，所述步骤(2)中的支撑材料为水溶性支撑材料。

本发明提供的球面迷宫密封系统，能够在轴承外壳轴线对主轴轴线发生小角度偏摆的情况下仍可正常工作，可有效解决现有技术所存在的问题。

本球面迷宫密封系统适合调心轴承的工作，可与调心轴承很好配合，为调心轴承提供可靠的保护。

再者，本发明还针对性的提供的3D打印逐层成型工艺，解决了以传统工艺方法无法实现的制作、安装、使用等问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为现有接触式旋转密封系统的结构示意图；

图2为现有迷宫式旋转密封系统的结构示意图；

图3为现有调心类轴承的示意图；

图4为现有调心轴承的应用示意图；

图5为本发明实例1中球面迷宫密封圈的结构示意图；

图6为本发明实例2中球面迷宫密封圈的结构示意图；

图7为本发明实例3中球面迷宫密封圈的结构示意图；

图8为本发明实例4中球面迷宫密封圈的结构示意图；

图9为本发明实例5中球面迷宫密封圈的结构示意图；

图10为本发明实例6中球面迷宫密封圈的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图2，传统的迷宫式旋转密封系统结构，密封圈3由内圈3-1和外圈3-2配合组成，内、外圈均作有圆环状板翅，装配后，内圈4-1基体上的圆环状板翅的轴线与轴承内圈轴线重叠，外圈4-2基体上的圆环状板翅轴线与轴承球面滚道外径轴线重叠，若设备的轴承座孔轴线与主轴轴线重叠，则二组环状板翅相互交错形成了如图所示的、间隙均匀的迷宫形通道。并基于该通道履行着系统的密封功能。

显然，若轴承球面滚道轴线相对轴承内圈轴线发生偏转，二组环状板翅就会相互干涉、摩擦并很快损坏。

申请人通过创造性劳动发现轴承外圈的偏转是有规律的，由于外圈滚道的圆弧中心与轴承中心一致，即它总是环绕轴承内圈轴线上的球心摆偏。

据此，申请人提出将密封系统的迷宫通道设置为与调心轴承球面同心的球面状。据此，无论轴承外壳如何偏转，密封系统迷宫通道的形状都可保持不变，从而系统的密封效果也将保持不变。

由此构成的密封系统能够很好的与调心轴承配套使用，且在轴承外壳轴线对主轴轴线发生小角度偏摆的情况下仍可正常工作。

以下通过具体实例来说明本方案。

实例1

参见图5，其所示为本实例基于上述原理方案构成的球面迷宫密封圈的基本结构示意图。

由图可知，该球面迷宫密封圈100主要包括相互配合的内圈101和外圈102。其中，内圈101和外圈102均作有至少二圈同心球面状板翅，且内圈101基体上的球面状板翅的球心与轴承200球心“o”重合，外圈102基体上的球面状板翅的球心也与轴承200球心“o”重合。由此，通过内圈101和外圈102配合装配后，由二圈的球面状板翅相互交错构成一球面形迷宫通道。

由此构成的球面迷宫密封圈100在具体应用时，当轴承200内腔的润滑脂途径此通道向外流动时，由于通道特别狭窄，向外溢出的润滑脂遇到了较大的阻力，从而构成密封圈的密封效果。

当由主轴轴线确定的内圈101与由轴承外圈确定的外圈102彼此的关系环绕球心“o”出现偏转变化时，由二圈的球面状板翅相互交错构成的球面形迷宫通道，因各自的球心相互重叠，故通道的形状也未变化，通道对通过的润滑脂的阻滞作用同样没有变化，密封圈仍可正常工作。

因此，本球面迷宫密封系统，具有适合调心轴承的工作特点，可与调心轴承很好配合，为调心轴承提供可靠的保护。

本实例提供的球面迷宫密封系统，若采用现有工艺进行制作时，将存在以下问题：

1.球面迷宫密封系统中的内、外圈上的球面状板翅的制作很困难，若采用注塑成型的办法，其模具上的几道球面状板翅的沟槽几乎无法制作；

2.即便内外圈分别制作出成品，也无法相互交错装配在一起使用。

为此，本实例将球面旋转迷宫密封圈作为一种必须内、外圈成对制造，成对安装和成对使用的机械组件来整体进行加工。无法用传统的成型工艺制造，也无法分别制作后再配套安装使用。

故，本实例采用成对制作球面迷宫密封系统中相互配合且处于装配状态下的内、外圈的制作工艺。

在此基础上，本实例利用3D逐层打印的成型工艺，成对制作相互交错配合处于装配状态下的内、外圈。即利用3D逐层打印的成型工艺来制作内、外圈成对制作，成对装配，成对使用的球面迷宫密封圈。

根据不同的使用场合，本案涉及的球面迷宫密封圈可以用以下几种材料制成：

1.塑料(PLA、ABS、尼龙、PA等)丝条原料用热熔喷嘴工艺打印，液态原料用光敏固化工艺打印，粉状原料用电子束或激光束打印；

2.铝合金用电子束或激光束打印；

3.不锈钢用电子束或激光束打印；

4.铁基合金用电子束或激光束打印；

5.塑料与金属混合使用；

6.塑料与橡胶混合使用。

在此基础上，本实例中制作球面迷宫密封圈的工艺具体包括如下步骤：

1.在3D打印设备的控制终端中(如计算机)绘制完成球面迷宫密封圈的三维图像模型并仔细检查确认无误。此时密封圈的内、外圈必须处于相互配合的装配状态，而不是脱离装配状态的分离个体。

2.正确选择打印过程所需的支撑材料。这里的支撑材料优选水溶性支撑材料。

3.打印成品，即利用3D打印设备根据绘制的模型逐层打印相互交错配合处于装配状态下的内、外圈，得到球面迷宫密封系统成品。

4.取下完成的成品，清洗支撑材料，检查成品质量。

5.包装待用。

可见，通过该制作工艺能够很好的解决本实例中球面迷宫密封圈100的制作，安装，使用等问题。

实例2

本实例在实例1的基础上，提供一种进一步的改进方案。

参见图6，本实例提供的球面迷宫密封圈整体结构与实例1中的球面迷宫密封圈相同，此处不加以赘述。

本实例在球面迷宫密封圈中的球面板翅表面形成细微的网状阻尼条103，可通过相应的打印技术直接在球面板翅表面形成。

由此构成的网状阻尼条103可提高球面通道对通过的润滑脂的阻滞效果。同时,还可加强球面板翅的结构刚度，使密封圈的工作性能更加稳定。

实例3

本实例在实例2的基础上，提供进一步的改进方案。

参见图7，本实例中将实例2中提及的网状阻尼条的形状制成面对外部的倒齿形104，由此可以提高密封圈对外部污染物的防护能力。

实例4

本实例在实例1的基础上，提供了进一步的改进方案。

参见图8，本实例提供的球面迷宫密封圈整体结构与实例1中的球面迷宫密封圈相同，此处不加以赘述。

本实例在球面迷宫密封圈中的球面板翅表面设有若干的阻尼筋105。该阻尼筋105可通过相应的打印技术直接在球面板翅表面形成，其数量可根据实际需求而定，其高度与球面形迷宫通道的高度配合，以形成一道密封带。

该方案适用于调心轴承的工作转速较低时，通过在球面板翅表面打印若干根(数量按需)阻尼筋105，阻尼筋105的高度应略小于球面通道的高度，这样可以形成一道间隙很小的密封带，由于间隙尺寸极小，它的密封效果比球面通道好的多。而由于通道内滞留的润滑脂的作用，阻尼筋对板翅表面的磨损作用也微不足道。

实例5

本实例在实例1的基础上，提供了进一步的改进方案。

参见图9，本实例提供的球面迷宫密封圈整体结构与实例1中的球面迷宫密封圈相同，此处不加以赘述。

本实例将球面迷宫密封圈的内、外圈中截面尺寸较大的部分设置成蜂窝结构106，可通过相应的打印技术直接形成。

利用本方案能够在球面迷宫密封圈的直径尺寸较大时(其内外圈的截面尺寸也相应较大)，为减轻零件重量。

另外，本实例方案同样也可应用于其它的实例方案中。

实例6

本实例在实例4方案的基础上，提供了进一步的改进方案。

参见图10，本实例提供的球面迷宫密封圈整体结构与实例4中的球面迷宫密封圈相同，此处不加以赘述。

本实例通过在球面迷宫密封圈中的静止圈内设有环形通道107，该环形通道107中具有用于热交换介质，以延长密封系统的使用寿命。

另外，这里的静止圈为球面迷宫密封圈中的内圈或外圈，根据实际情况而定。

本实例方案在具体应用时，根据需要，将球面迷宫密封圈的静止圈制成含有进出口环形通道107的结构，环形通道内可供冷却或加热液体流动，借以改善密封圈工作的温度环境，延长使用寿命。

另外，本实例方案同样也可应用于其它的实例方案中。

上述各实例所形成的球面迷宫密封圈在具体应用时，可根据实际需求而定，可独立使用，在适当场合，球面迷宫密封圈也可与各类接触式密封圈混合使用，以便取得更好的密封效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述密封系统中具有与调心轴承球面同心的球面状迷宫通道。

2.根据权利要求1所述的一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述密封系统包括相互配合的内圈和外圈，所述内圈和外圈均作有至少二圈同心球面状板翅，所述内圈基体上的球面状板翅的球心与轴承球心重合，所述外圈基体上的球面状板翅的球心也与轴承球心重合，由内圈和外圈的球面状板翅相互交错构成一球面形迷宫通道。

3.根据权利要求2所述的一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述球面状板翅上设有阻尼结构。

4.根据权利要求3所述的一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述阻尼结构为网状阻尼条。

5.根据权利要求3所述的一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述阻尼结构为若干根阻尼筋，阻尼筋的高度与球面形迷宫通道的高度配合，以形成一道密封带。

6.根据权利要求2所述的一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述密封系统中的静止圈内设有用于热交换的环形通道。

7.根据权利要求2所述的一种球面迷宫密封系统，其特征在于，所述密封系统的内圈和外圈中截面尺寸较大的部分为蜂窝结构。

8.一种球面迷宫密封系统的制作工艺，其特征在于，所述制作工艺成对制作球面迷宫密封系统中相互配合的装配状态下的内、外圈。

9.根据权利要求8所述的一种球面迷宫密封系统的制作工艺，其特征在于，所述制作工艺利用3D逐层打印的成型工艺，成对制作相互交错配合处于装配状态下的内、外圈。

10.根据权利要求9所述的一种球面迷宫密封系统的制作工艺，其特征在于，所述制作工艺包括如下步骤：

(1)在3D打印设备中绘制完成球面迷宫密封系统的三维图像模型，此时球面迷宫密封系统中的内、外圈处于相互配合的装配状态；

(2)选择打印过程所需的支撑材料；

(3)利用3D打印设备根据绘制的模型逐层打印相互交错配合处于装配状态下的内、外圈，得到球面迷宫密封系统成品。

11.根据权利要求10所述的一种球面迷宫密封系统的制作工艺，其特征在于，所述步骤(2)中的支撑材料为水溶性支撑材料。