CN106949327B - 非接触式气动旋转接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式气动旋转接头，包括中心轴、前轴承、后轴承、外壳和浮动环，浮动环通过自身的中心通孔套装于中心轴外且同时套装于外壳的中心通孔内，浮动环的两端分别位于前轴承和后轴承的内侧，浮动环的前段外周和后段外周与外壳的内壁之间分别设有“O”形密封圈，外壳的中段设有径向穿通的外壳进气孔，浮动环的中段设有径向穿通的浮动环通气孔，中心轴上设有径向穿通的中心轴进气孔，中心轴内设有轴向的中心输气孔。本发明通过设计气浮结构，将传输介质从径向和轴向引入密封间隙，并在中心轴和浮动环之间形成气膜，同时利用气膜的静压和动压效应，使得气膜在不同转速下均具有较高的承载力，旋转接头的工作转速和使用寿命显著提高。

Description

非接触式气动旋转接头

技术领域

本发明涉及一种旋转接头，尤其涉及一种可用于给旋转设备或工作平台输送压缩空气、氧气等无害气体的非接触式气动旋转接头。

背景技术

旋转接头是一种给旋转设备输送油、水、气等介质的关键部件，它将静止管道内流动的介质连接到运动部件内部，实现介质传输由静到动的转换。目前旋转接头大都采用接触式密封设计，存在摩擦阻力大、寿命短以及容易产生密封件磨损颗粒进而污染设备运行环境的问题。

非接触式间隙密封是利用流体静压或动压作用，在密封端面间充满一层流体膜迫使密封端面彼此分离，而不存在硬性固相接触的一种密封方式。目前部分国外公司的高端旋转接头产品采用了非接触式密封设计，在转子和定子之间的微小间隙内形成流体膜，当旋转接头工作时，利用流体动压承载原理，使得转子和定子处于非接触状态，同时利用流体膜的流阻效应对压力介质实施密封。

由于流体膜动压承载力与转速密切相关，转速越高承载力越大，但转速为零时承载力也为零，因此采用动压承载原理的旋转接头在启动、停机和低速运行时，转子和定子之间仍然存在接触摩擦，为了防止剧烈的摩擦生热甚至抱轴 (转子和定子咬合)，这就对材料性能、加工精度及其表面处理质量等提出了很高的要求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种工作转速高、使用寿命长的非接触式气动旋转接头。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种非接触式气动旋转接头，包括中心轴、前轴承、后轴承和外壳，所述外壳通过自身的中心通孔套装于所述中心轴外，所述前轴承和所述后轴承分别安装于所述中心轴的外周和所述外壳的内壁之间的前段和后段，所述中心轴上靠近所述前轴承的一端伸出于所述外壳外且设有用于与外部设备连接的中心轴法兰，所述非接触式气动旋转接头还包括浮动环，所述浮动环通过自身的中心通孔套装于所述中心轴外且同时套装于所述外壳的中心通孔内，所述浮动环的两端分别位于所述前轴承的内侧和所述后轴承的内侧，所述浮动环的前段外周和后段外周与所述外壳的内壁之间分别设有“O”形密封圈，所述浮动环的中段外表面内凹形成浮动环凹环；所述外壳的中段设有径向穿通的外壳进气孔，所述外壳进气孔的外端用于与高压气源连接，所述外壳进气孔的内端位于所述浮动环凹环的区域内，所述浮动环的中段设有径向穿通的浮动环通气孔，所述浮动环的前段和后段的内壁表面与所述中心轴的对应外壁表面之间设有间隙，所述中心轴上与所述浮动环凹环对应的区域设有径向穿通的中心轴进气孔，所述中心轴内设有与所述中心轴进气孔相通的轴向的中心输气孔，所述中心输气孔的远离所述中心轴法兰的一端封闭且靠近所述中心轴法兰的一端开口。

上述结构中，浮动环是提供承载和密封能力的关键部件，通过气流分配，使高压气体在浮动环与中心轴之间形成气膜，构成非接触式的连接结构；另外，虽然在中心轴与外壳之间设有前轴承和后轴承，但这两个轴承主要承受轴向载荷，径向载荷较小，因为在增加气浮结构后，外壳相当于悬挂在中心轴上，前轴承和后轴承更多地起到径向限位旋转的作用。

为了实现优化的气浮效果，所述浮动环通气孔包括位于所述浮动环中段的中心位置的径向的浮动环进气孔和位于所述浮动环中段的两端位置的径向的浮动环节流孔，所述浮动环中段的内壁表面设有内凹环形均压槽且所述浮动环进气孔位于所述内凹环形均压槽的区域内，所述浮动环节流孔由相互相通连接的大通孔和小通孔组成，所述大通孔位于所述小通孔的外侧。径向的浮动环节流孔使得气膜同时具有静压和动压效应，提高了气膜承载力，避免了旋转接头在静止和低速运行时中心轴和浮动环接触摩擦。

具体地，所述浮动环进气孔为八个且围绕所述浮动环的中心轴线均匀分布；前后两组所述浮动环节流孔的数量均为12个，每一组的12个所述浮动环节流孔围绕所述浮动环的中心轴线均匀分布。

进一步，所述浮动环的两端分别设有多个绕所述浮动环的中心轴线均匀分布的泄露孔，该泄露孔为半孔且位于靠近外周边缘处。

具体地，所述中心轴进气孔为四个且围绕所述中心轴的中心轴线均匀分布，所述中心轴的外壁表面中与所述浮动环对应的外壁表面为中心轴气浮面，所述浮动环的内表面为浮动环气浮面。

优选地，所述中心轴气浮面与所述浮动环的前段和后段的内壁表面之间的间隙距离为1-100微米，优选为10-50微米。

为了在必要时排泄气体，所述外壳内还设有与所述外壳进气孔相通的泄气通道，所述泄气通道的多个外端设于所述外壳表面且安装有螺塞。

为了在必要时防止外壳旋转，所述外壳上还设有多个对称分布的用于安装防转杆的外壳螺纹孔。

为了实现更好的密封，所述前轴承的外侧设有孔用挡圈，所述后轴承的外侧设有轴用挡圈。

本发明的有益效果在于：

本发明从原理上既不同于传统的接触式密封旋转接头，也不同于现有的非接触式密封旋转接头，采用了动压和静压混合式承载原理和非接触式密封方式，通过设计气浮结构，将传输介质从径向和轴向引入密封间隙，并在中心轴和浮动环之间形成气膜，同时利用气膜的静压和动压效应，使得气膜在不同转速下均具有较高的承载力，避免了在整个工作转速范围内的固相接触摩擦，旋转接头的工作转速和使用寿命显著提高，而且整个结构没有摩擦磨损件，避免了密封件磨损颗粒污染和损坏设备。

附图说明

图1是本发明所述非接触式气动旋转接头的主视剖视图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是本发明所述非接触式气动旋转接头的中心轴的主视剖视图；

图4是图3中的B-B剖视图；

图5是本发明所述非接触式气动旋转接头的浮动环的主视剖视图；

图6是图5中的C-C剖视图；

图7是图6中的“E”的放大图；

图8是本发明所述非接触式气动旋转接头的浮动环的侧视图；

图9是图5中的D-D剖视图；

图10是本发明所述非接触式气动旋转接头的外壳的主视剖视图；

图11是图10中的F-F剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明所述非接触式气动旋转接头包括中心轴1、前轴承3、后轴承6、外壳5和浮动环4，前轴承3和后轴承6分别安装于中心轴1 的外周和外壳5的内壁之间的前段和后段，浮动环4通过自身的中心通孔套装于中心轴1外，外壳5通过自身的中心通孔同时套装于浮动环4外和中心轴1 外，浮动环4的两端分别位于前轴承3的内侧和后轴承6的内侧，浮动环4的前段外周和后段外周与外壳5的内壁之间分别设有“O”形密封圈9，前轴承3的外侧设有孔用挡圈2，后轴承6的外侧设有轴用挡圈7。

如图5-图9所示，浮动环4的中段外表面内凹形成浮动环凹环(即浮动环4 中段外侧表面的凹环，图中未标记)，浮动环4的中段设有径向穿通的浮动环通气孔，所述浮动环通气孔包括位于浮动环4中段的中心位置的径向的浮动环进气孔42和位于浮动环4中段的两端位置的径向的浮动环节流孔41，浮动环进气孔42为八个且围绕浮动环4的中心轴线均匀分布，前后两组所浮动环节流孔41 的数量均为12个，每一组的12个浮动环节流孔41围绕浮动环4的中心轴线均匀分布；浮动环4中段的内壁表面设有内凹环形均压槽43且浮动环进气孔42 位于内凹环形均压槽43的区域内，浮动环节流孔41由相互相通连接的大通孔 411和小通孔412组成，大通孔411位于小通孔412的外侧；浮动环4的内表面为浮动环气浮面44，浮动环4的两端分别设有多个绕浮动环4的中心轴线均匀分布的泄露孔45，该泄露孔45为半孔且位于靠近外周边缘处。

如图1-图4所示，中心轴1上靠近前轴承3的一端伸出于外壳5外且设有用于与外部设备连接的中心轴法兰11，中心轴1上与所述浮动环凹环对应的区域设有四个径向穿通的中心轴进气孔13，四个中心轴进气孔围绕中心轴1的中心轴线均匀分布，中心轴1内设有与中心轴进气孔13相通的轴向的中心输气孔 12，中心输气孔12的远离中心轴法兰11的一端封闭且靠近中心轴法兰11的一端开口，中心轴1的外壁表面中与浮动环4对应的外壁表面为中心轴气浮面14。

如图1、图2、图10和图11所示，外壳5的中段设有径向穿通的外壳进气孔52，外壳进气孔52的外端用于与高压气源连接，外壳进气孔52的内端位于所述浮动环凹环的区域内，外壳5内还设有与外壳进气孔52相通的泄气通道55，泄气通道55的多个外端设于外壳5的表面且安装有螺塞8，外壳5上还设有多个对称分布的用于安装防转杆的外壳螺纹孔51，外壳5的内表面设置有用于安装孔用挡圈2的挡圈环槽53和“O”形密封圈9的密封圈环槽54。

如图1、图2和图3所示，浮动环4的前段和后段的内壁表面与中心轴1的对应外壁表面之间设有间隙，中心轴气浮面14与浮动环4的前段和后段的内壁表面之间的间隙距离为1-100微米，优选为10-50微米，更优选为20微米左右。

结合图1-图11，本发明所述非接触式气动旋转接头的工作原理如下：

使用时，外壳5不旋转，中心轴1旋转；在外壳5的外壳进气孔52通入高压气体，高压气体经外壳进气孔52进入浮动环凹环所在空间并被两端的“O”形密封圈9密封，然后中间部分的高压气体通过浮动环进气孔42进入内浮动环 4中部的凹环形均压槽43所在空间，两侧部分的高压气体通过浮动环4两侧的浮动环节流孔41进入中心轴气浮面14与浮动环气浮面44之间的间隙，使浮动环4的内、外侧均有高压气体，从而形成气浮效果，避免固相接触摩擦；高压气体再经过中心轴进气孔13进入中心轴1的中心输气孔12内，并经中心输气孔12的开口端排出；如果中心输气孔12的开口端在与外部设备连接后被堵塞，高压气体不能排出，则一方面可以通过外壳5的泄气通道55排出，另一方面可以减小或关闭高压气源，对本旋转接头的使用也不会造成大的影响。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种非接触式气动旋转接头，包括中心轴、前轴承、后轴承和外壳，所述外壳通过自身的中心通孔套装于所述中心轴外，所述前轴承和所述后轴承分别安装于所述中心轴的外周和所述外壳的内壁之间的前段和后段，所述中心轴上靠近所述前轴承的一端伸出于所述外壳外且设有用于与外部设备连接的中心轴法兰，其特征在于：所述非接触式气动旋转接头还包括浮动环，所述浮动环通过自身的中心通孔套装于所述中心轴外且同时套装于所述外壳的中心通孔内，所述浮动环的两端分别位于所述前轴承的内侧和所述后轴承的内侧，所述浮动环的前段外周和后段外周与所述外壳的内壁之间分别设有“O”形密封圈，所述浮动环的中段外表面内凹形成浮动环凹环；所述外壳的中段设有径向穿通的外壳进气孔，所述外壳进气孔的外端用于与高压气源连接，所述外壳进气孔的内端位于所述浮动环凹环的区域内，所述浮动环的中段设有径向穿通的浮动环通气孔，所述浮动环的前段和后段的内壁表面与所述中心轴的对应外壁表面之间设有间隙，所述中心轴上与所述浮动环凹环对应的区域设有径向穿通的中心轴进气孔，所述中心轴内设有与所述中心轴进气孔相通的轴向的中心输气孔，所述中心输气孔的远离所述中心轴法兰的一端封闭且靠近所述中心轴法兰的一端开口；

所述浮动环通气孔包括位于所述浮动环中段的中心位置的径向的浮动环进气孔和位于所述浮动环中段的两端位置的径向的浮动环节流孔，所述浮动环中段的内壁表面设有内凹环形均压槽且所述浮动环进气孔位于所述内凹环形均压槽的区域内，所述浮动环节流孔由相互相通连接的大通孔和小通孔组成，所述大通孔位于所述小通孔的外侧。

2.根据权利要求1所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述浮动环进气孔为八个且围绕所述浮动环的中心轴线均匀分布；前后两组所述浮动环节流孔的数量均为12个，每一组的12个所述浮动环节流孔围绕所述浮动环的中心轴线均匀分布。

3.根据权利要求1所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述浮动环的两端分别设有多个绕所述浮动环的中心轴线均匀分布的泄露孔。

4.根据权利要求1所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述中心轴进气孔为四个且围绕所述中心轴的中心轴线均匀分布，所述中心轴的外壁表面中与所述浮动环对应的外壁表面为中心轴气浮面，所述浮动环的内表面为浮动环气浮面。

5.根据权利要求4所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述中心轴气浮面与所述浮动环的前段和后段的内壁表面之间的间隙距离为1-100微米。

6.根据权利要求1-5任何一项所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述外壳内还设有与所述外壳进气孔相通的泄气通道，所述泄气通道的多个外端设于所述外壳表面且安装有螺塞。

7.根据权利要求1-5任何一项所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述外壳上还设有多个对称分布的用于安装防转杆的外壳螺纹孔。

8.根据权利要求1-5任何一项所述的非接触式气动旋转接头，其特征在于：所述前轴承的外侧设有孔用挡圈，所述后轴承的外侧设有轴用挡圈。

Images