CN106594289A - 一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置 - Google Patents

一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置 Download PDF

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Abstract

一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，属于机械工程密封领域，特别适用于高线速度旋转工况的密封。可解决现有的磁性液体离心密封结构在转轴启动过程中线速度较低时，耐压能力不足，可靠性较低的问题。该装置由转轴(1)、外壳(2)、左轴承(3)、第一隔磁环(4‑1)、第一极靴(5‑1)、第一密封圈(6‑1)、第一永磁体(7‑1)等构成。当转轴(1)低线速度旋转时，本发明依靠轴向磁性液体密封组件起到密封作用，在轴向空间充足情况下，可增加轴向磁性液体密封齿数，提高耐压能力，从而提高密封的可靠性，解决了现有磁性液体离心密封结构在转轴启动过程中耐压能力不足的问题，同时，提高了转轴(1)高线速度旋转时离心密封的耐压能力。

Description

一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置
技术领域
本发明属于机械工程密封领域，特别适用于高线速度旋转工况。
背景技术
磁性液体密封以其零泄漏、无固体摩擦、无机械摩擦、能耗小、寿命长等优异特性在航空航天、电子技术、机械化工、能源冶金等众多高科技领域取得广泛而不可替代的作用，在各领域中低线速度旋转场合的应用已经相对成熟，正在向高线速度旋转的密封方向发展。随着转轴轴径变大和转速变高，密封部位的线速度越高，磁性液体受的离心力越大，现有的磁性液体离心密封结构可利用高线速度旋转产生大离心力进行密封，但是当线速度较低，磁性液体受的离心力小，依靠径向分布的密封齿起密封作用。因此，若径向空间受限制，离心密封的密封齿数量少，转轴启动过程中线速度较低时，磁性液体密封耐压能力不足。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，现有的磁性液体离心密封结构在径向空间受限制的情况下，离心密封的密封齿数少，转轴启动过程中线速度较低时，磁性液体密封耐压能力不足。因此，提出一种适用于高线速度旋转工况的磁性液体密封装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，构成该装置包括：
转轴、外壳、左轴承、第一隔磁环、第一极靴、第一密封圈、第一永磁体、第二极靴、第二密封圈、第二永磁体、第n-1极靴、第n-1密封圈、第n-1永磁体、第n极靴、第n密封圈、第二隔磁环、右轴承、第三隔磁环、左密封圈、左极靴、隔环、左半转盘、转盘永磁体、右密封圈、右半转盘、第二磁性液体、右极靴、第四隔磁环、端盖、转盘密封圈、第一螺钉、第二螺钉、右卡簧、第一磁性液体、左卡簧；
构成该装置的各部分之间的连接：
所述左轴承安装在转轴轴肩的右端面上，所述左卡簧安装在转轴的左卡簧槽中，形成转动组件；所述第一密封圈安装在第一极靴的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第一极靴；所述第二密封圈安装在第二极靴的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第二极靴；以此类推至所述第n-1密封圈安装在第n-1极靴的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第n-1极靴；所述第n密封圈安装在第n极靴的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第n极靴；
所述转动组件、第一隔磁环、带密封圈的第一极靴、第一永磁体、带密封圈的第二极靴、第二永磁体、带密封圈的第n-1极靴、第n-1永磁体、带密封圈的第n极靴，第二隔磁环依次装入外壳中，所述第一磁性液体注入到极靴与转轴的间隙中，所述右轴承安装在第二隔磁环的右端面，所述右卡簧装在转轴的右卡簧槽中，完成已装入外壳内的零件的轴向定位，组成轴向磁性液体密封组件；
所述左密封圈安装在左极靴的外圆面凹槽内，形成带密封圈的左极靴；所述右密封圈安装在右极靴的外圆面凹槽内，形成带密封圈的右极靴；所述转盘永磁体安装在左半转盘右端面的环形凹槽内，形成带永磁体的左半转盘；所述转盘密封圈安装在右半转盘左端面的小环形凹槽内，形成带密封圈的右半转盘；
所述带密封圈的右半转盘安装在带永磁体的左半转盘的右端，转盘永磁体嵌入右半转盘左端面的大环形凹槽内，左半转盘的右端面与右半转盘的左端面贴合，所述带密封圈的右半转盘和带永磁体的左半转盘通过第一螺钉固定连接，形成转盘组件；
所述第三隔磁环安装在右轴承的右端面，所述带密封圈的左极靴安装在第三隔磁环的右端面，所述转盘组件与转轴通过第二螺钉固定在转轴的阶梯端面上，所述隔环安装在带密封圈的左极靴的右端面，所述带密封圈的右极靴安装在隔环的右端面，所述第二磁性液体注入到极靴与转盘组件形成的间隙中，所述第四隔磁环安装在右极靴的右端面，所述端盖压紧第四隔磁环的右端面，端盖与外壳通过螺纹固定连接，完成壳内零件的轴向定位；
所述左极靴的右端面与左半转盘的左端面形成夹角α，且0≤α≤10°；所述右极靴的左端面与右半转盘的右端面形成夹角β，且0≤β≤10°；使极靴与转盘组件形成的间隙随半径增大而减小，使间隙中的磁场强度随半径的增大而增强，在转轴不旋转时，第二磁性液体仍然被吸附在间隙中磁场强度相对较大的部位；
当转轴低线速度旋转时，依靠轴向磁性液体密封组件起到密封作用，当转轴高线速度旋转时，第一磁性液体受离心力作用被甩离密封间隙，轴向磁性液体密封失效，依靠转盘组件带动第二磁性液体旋转产生的巨大离心力起到密封作用，Ph为高压侧压强，Pl为低压侧压强，压差为△P＝Ph-Pl，转盘组件两边的第二磁性液体液面高度差为△h，D为隔环内径，D2为右极靴内径，△h的最大值△hmax＝(D-D2)/2，压差△P与△h成正相关关系，即离心密封最大耐压△Pmax与△hmax成正相关关系，由于采用阶梯轴设计，所述右极靴内径D2小于左极靴内径D1，相对D1＝D2的结构有更大的△hmax，即密封装置具有更强的密封耐压能力；
隔环、全部极靴用导磁性材料制成，如2Cr13；
全部永磁体用高磁能积永磁材料制成，充磁方向为轴向充磁；
转轴可用导磁材料制成，或用非导磁材料制成并套上由导磁材料制成的轴套；
外壳、左半转盘、右半转盘、全部隔磁环用非导磁性材料制成，如不锈钢和铝型材料；
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
(1)当转轴低线速度旋转时，本发明依靠轴向磁性液体密封组件起到密封作用，在轴向空间充足情况下，可增加轴向磁性液体密封齿数，提高耐压能力，从而提高密封的可靠性，解决了现有磁性液体离心密封结构在低线速度旋转工况下耐压能力不足的问题；
(2)由于极靴与转盘组件形成的间隙随半径的增大而减小，使间隙中的磁场强度随半径的增大而增大，磁性液体可以更可靠地被吸附在极靴与转盘组件形成的间隙中；
(3)由于永磁体嵌在左半转盘与右半转盘之间，不单独占用径向空间，减小了密封装置的径向尺寸；
(4)由于采用阶梯轴设计，可使右极靴内径小于左极靴内径，密封装置在转轴高线速度旋转时具有更强的密封耐压能力。
附图说明
图1为磁性液体密封装置结构图。
图2为A部位放大图。
图1中：转轴1、外壳2、左轴承3、第一隔磁环4-1、第一极靴5-1、第一密封圈6-1、第一永磁体7-1、第二极靴5-2、第二密封圈6-2、第二永磁体7-2、第n-1极靴5-(n-1)、第n-1密封圈6-(n-1)、第n-1永磁体7-(n-1)、第n极靴5-n、第n密封圈6-n、第二隔磁环4-、右轴承8、第三隔磁环4-3、左密封圈9、左极靴10、隔环11、左半转盘12、转盘永磁体13、右密封圈14、右半转盘15、第二磁性液体16、右极靴17、第四隔磁环4-4、端盖18、转盘密封圈19、第一螺钉20、第二螺钉21、右卡簧22、第一磁性液体23、左卡簧24。
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：
一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，如图1，该密封装置包括：转轴1、外壳2、左轴承3、第一隔磁环4-1、第一极靴5-1、第一密封圈6-1、第一永磁体7-1、第二极靴5-2、第二密封圈6-2、第二永磁体7-2、第n-1极靴5-(n-1)、第n-1密封圈6-(n-1)、第n-1永磁体7-(n-1)、第n极靴5-n、第n密封圈6-n、第二隔磁环4-、右轴承8、第三隔磁环4-3、左密封圈9、左极靴10、隔环11、左半转盘12、转盘永磁体13、右密封圈14、右半转盘15、第二磁性液体16、右极靴17、第四隔磁环4-4、端盖18、转盘密封圈19、第一螺钉20、第二螺钉21、右卡簧22、第一磁性液体23、左卡簧24；
构成该装置的各部分之间的连接：
所述左轴承3安装在转轴1轴肩的右端面上，所述左卡簧24安装在转轴1的左卡簧槽中，形成转动组件；所述第一密封圈6-1安装在第一极靴5-1的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第一极靴；所述第二密封圈6-2安装在第二极靴5-2的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第二极靴；以此类推至所述第n-1密封圈6-(n-1)安装在第n-1极靴5-(n-1)的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第n-1极靴；所述第n密封圈6-n安装在第n极靴5-n的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第n极靴；
所述转动组件、第一隔磁环4-1、带密封圈的第一极靴、第一永磁体7-1、带密封圈的第二极靴、第二永磁体7-2、带密封圈的第n-1极靴、第n-1永磁体7-(n-1)、带密封圈的第n极靴、第二隔磁环4-2依次装入外壳中，所述第一磁性液体23注入到极靴与转轴1的间隙中，所述右轴承8安装在第二隔磁环4-2的右端面，所述右卡簧22装在转轴1的右卡簧槽中，完成已装入外壳2内的零件的轴向定位，组成轴向磁性液体密封组件；
所述左密封圈9安装在左极靴10的外圆面凹槽内，形成带密封圈的左极靴；所述右密封圈14安装在右极靴17的外圆面凹槽内，形成带密封圈的右极靴；所述转盘永磁体13安装在左半转盘12右端面的环形凹槽内，形成带永磁体的左半转盘；所述转盘密封圈19安装在右半转盘15左端面的小环形凹槽内，形成带密封圈的右半转盘；
所述带密封圈的右半转盘安装在带永磁体的左半转盘的右端，转盘永磁体13嵌入右半转盘15左端面的大环形凹槽内，左半转盘12的右端面与右半转盘15的左端面贴合，所述带密封圈的右半转盘和带永磁体的左半转盘通过第一螺钉20固定连接，形成转盘组件；
所述第三隔磁环4-3安装在右轴承8的右端面，所述带密封圈的左极靴安装在第三隔磁环4-3的右端面，所述转盘组件与转轴1通过第二螺钉21固定在转轴1的阶梯端面上，所述隔环11安装在带密封圈的左极靴的右端面，所述带密封圈的右极靴安装在隔环11的右端面，所述第二磁性液体16注入到极靴与转盘组件形成的间隙中，所述第四隔磁环4-4安装在右极靴17的右端面，所述端盖18压紧第四隔磁环4-4的右端面，端盖18与外壳2通过螺纹固定连接，完成壳内零件的轴向定位；
所述左极靴10的右端面与左半转盘12的左端面形成夹角α，且0≤α≤10°；所述右极靴17的左端面与右半转盘15的右端面形成夹角β，且0≤β≤10°；使极靴与转盘组件形成的间隙随半径增大而减小，使间隙中的磁场强度随半径的增大而增强，在转轴1不旋转时，第二磁性液体16仍然被吸附在间隙中磁场强度相对较大的部位；
当转轴1低线速度旋转时，依靠轴向磁性液体密封组件起到密封作用，当转轴1高线速度旋转时，第一磁性液体23受离心力作用被甩离密封间隙，轴向磁性液体密封失效，依靠转盘组件带动第二磁性液体16旋转产生的巨大离心力起到密封作用，Ph为高压侧压强，Pl为低压侧压强，压差为△P＝Ph-Pl，转盘组件两边的第二磁性液体16液面高度差为△h，D为隔环11内径，D2为右极靴17内径，△h的最大值△hmax＝(D-D2)/2，压差△P与△h成正相关关系，即离心密封最大耐压△Pmax与△hmax成正相关关系，由于采用阶梯轴设计，所述右极靴17内径D2小于左极靴10内径D1，相对D1＝D2的结构有更大的△hmax，即密封装置具有更强的密封耐压能力；
隔环11、全部极靴用导磁性材料制成，如2Cr13；
全部永磁体用高磁能积永磁材料制成，充磁方向为轴向充磁；
转轴1可用导磁材料制成，或用非导磁材料制成并套上由导磁材料制成的轴套；
外壳2、左半转盘12、右半转盘15、全部隔磁环用非导磁性材料制成，如不锈钢和铝型材料；
当转轴1低线速度旋转时，本发明依靠轴向磁性液体密封组件起到密封作用，在轴向空间充足情况下，可增加轴向磁性液体密封齿数，提高耐压能力，从而提高密封的可靠性，解决了现有磁性液体离心密封结构在低线速度旋转工况下耐压能力不足的问题；由于极靴与转盘组件形成的间隙随半径的增大而减小，使间隙中的磁场强度随半径的增大而增大，磁性液体可以更可靠地被吸附在极靴与转盘组件形成的间隙中；由于永磁体嵌在左半转盘12与右半转盘15之间，不单独占用径向空间，减小了密封装置的径向尺寸；由于采用阶梯轴设计，可使右极靴17内径小于左极靴10内径，密封装置在转轴1高线速度旋转时具有更强的密封耐压能力。

Claims (4)

1.一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，其特征在于，该密封装置包括：转轴(1)、外壳(2)、左轴承(3)、第一隔磁环(4-1)、第一极靴(5-1)、第一密封圈(6-1)、第一永磁体(7-1)、第二极靴(5-2)、第二密封圈(6-2)、第二永磁体(7-2)、第n-1极靴(5-(n-1))、第n-1密封圈(6-(n-1))、第n-1永磁体(7-(n-1))、第n极靴(5-n)、第n密封圈(6-n)、第二隔磁环(4-2)、右轴承(8)、第三隔磁环(4-3)、左密封圈(9)、左极靴(10)、隔环(11)、左半转盘(12)、转盘永磁体(13)、右密封圈(14)、右半转盘(15)、第二磁性液体(16)、右极靴(17)、第四隔磁环(4-4)、端盖(18)、转盘密封圈(19)、第一螺钉(20)、第二螺钉(21)、右卡簧(22)、第一磁性液体(23)、左卡簧(24)；
构成该装置的各部分之间的连接：
所述左轴承(3)安装在转轴(1)轴肩的右端面上，所述左卡簧(24)安装在转轴(1)的左卡簧槽中，形成转动组件；所述第一密封圈(6-1)安装在第一极靴(5-1)的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第一极靴；所述第二密封圈(6-2)安装在第二极靴(5-2)的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第二极靴；以此类推至所述第n-1密封圈(6-(n-1))安装在第n-1极靴(5-(n-1))的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第n-1极靴；所述第n密封圈(6-n)安装在第n极靴(5-n)的外圆面凹槽内，形成带密封圈的第n极靴；
所述转动组件、第一隔磁环(4-1)、带密封圈的第一极靴、第一永磁体(7-1)、带密封圈的第二极靴、第二永磁体(7-2)、带密封圈的第n-1极靴、第n-1永磁体(7-(n-1))、带密封圈的第n极靴、第二隔磁环(4-2)依次装入外壳中，所述第一磁性液体(23)注入到极靴与转轴(1)的间隙中，所述右轴承(8)安装在第二隔磁环(4-2)的右端面，所述右卡簧(22)装在转轴(1)的右卡簧槽中，完成已装入外壳(2)内的零件的轴向定位，组成轴向磁性液体密封组件；
所述左密封圈(9)安装在左极靴(10)的外圆面凹槽内，形成带密封圈的左极靴；所述右密封圈(14)安装在右极靴(17)的外圆面凹槽内，形成带密封圈的右极靴；所述转盘永磁体(13)安装在左半转盘(12)右端面的环形凹槽内，形成带永磁体的左半转盘；所述转盘密封圈(19)安装在右半转盘(15)左端面的小环形凹槽内，形成带密封圈的右半转盘；
所述带密封圈的右半转盘安装在带永磁体的左半转盘的右端，转盘永磁体(13)嵌入右半转盘(15)左端面的大环形凹槽内，左半转盘(12)的右端面与右半转盘(15)的左端面贴合，所述带密封圈的右半转盘和带永磁体的左半转盘通过第一螺钉(20)固定连接，形成转盘组件；
所述第三隔磁环(4-3)安装在右轴承(8)的右端面，所述带密封圈的左极靴安装在第三隔磁环(4-3)的右端面，所述转盘组件与转轴(1)通过第二螺钉(21)固定在转轴(1)的阶梯端面上，所述隔环(11)安装在带密封圈的左极靴的右端面，所述带密封圈的右极靴安装在隔环(11)的右端面，所述第二磁性液体(16)注入到极靴与转盘组件形成的间隙中，所述第四隔磁环(4-4)安装在右极靴(17)的右端面，所述端盖(18)压紧第四隔磁环(4-4)的右端面，端盖(18)与外壳(2)通过螺纹固定连接，完成壳内零件的轴向定位。
2.根据权利要求1所述的一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，其特征在于：
所述左极靴(10)的右端面与左半转盘(12)的左端面形成夹角α，且0≤α≤10°；所述右极靴(17)的左端面与右半转盘(15)的右端面形成夹角β，且0≤β≤10°。
3.根据权利要求1所述的一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，其特征在于：
所述右极靴(17)内径D2小于左极靴(10)内径D1。
4.根据权利要求1所述的一种径向小尺寸的高线速度旋转磁性液体密封装置，其特征在于：
隔环(11)、全部极靴用导磁性材料制成；
全部永磁体用高磁能积永磁材料制成，充磁方向为轴向充磁；
外壳(2)、左半转盘(12)、右半转盘(15)、全部隔磁环用非导磁性材料制成。
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