CN108799444A - 行星差动径向双端面机械密封 - Google Patents

行星差动径向双端面机械密封 Download PDF

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Abstract

行星差动径向双端面机械密封的左端是介质侧，右端是空气侧，由行星轮系、紧靠转轴的旋转密封环和差动环组成的密封副以及远离转轴的静止密封环和差动轮组成的密封副两对摩擦副构成，阻止介质由差动轮向大气泄漏。旋转密封环与转轴同步转动，背部弹簧提供推力保持其与差动轮端面的贴合，旋转密封环与差动轮以不同转速同向转动；静止密封环安装在静环座内，背部弹簧产生推力保持其与差动轮端面的贴合；旋转密封环和静止密封环均为挠性环，可产生轴向微幅滑动。行星轮系由中心太阳轮、行星轮、差动轮和内齿圈组成，中心太阳轮随转轴转动，内齿圈通过花键与轴端静止壳体连接，空气侧差动轮和介质侧差动轮与止推轴承刚性连接并固定，只允许周向运动。

Description

行星差动径向双端面机械密封
技术领域：
本发明涉及一种旋转机械的轴端密封，具体涉及一种轴转速较高，利用行星减速器按比例将额定转速分配到两级的旋转式机械密封装置，适用于压缩机、泵等高速旋转轴的轴端密封。
技术背景：
机械密封因其具有泄漏量小、功耗低、可靠性好等优点，广泛应用于旋转器械的轴端密封，例如压缩机、泵、搅拌器等旋转机械。但是随着各种旋转机械使用要求、工况水平的提高，越来越多的旋转轴需要在高速、超高速的条件下运行，现有的机械密封材料很少有能在极高的线速度下长时间稳定工作，这也限制了机械密封的进一步推广使用。具体表现在：接触式机械密封在高速下密封材料磨损严重，同时高速下产热增加密封端面软化刚度下降，密封的寿命和可靠性迅速下降；对于非接触式机械密封，过高的转速会导致开启力过大，增大动静环之间的膜厚，从而导致泄漏量增加。由于旋转机械密封都是封闭的结构，很难实现外界对动环与静环之间相对运动的调节降速，针对这种情况，很有必要研制一种依靠旋转轴自身为动力的可控降速机构，设计一种能够将轴的旋转运动分配到两级机械密封上的装置，使密封副动静环的线速度能降低到材料使用极限以下。
利用差动环改善机械密封工作条件的结构已有报道，如中国专利CN101806362A提出了一种将动环和静环设置在具有相对转速差动环的两侧的机械密封装置，是一种有效的改变相对转速的方法，但是依旧存在以下问题：首先，中间环不受径向约束，而驱动力并不沿周向均匀分布，这就使得在工作时中间环容易发生径向跳动。其次，中间环与驱动元件的连接必然会影响弹簧力的传递，进而影响中间环与动环的接触比压；中国专利CN201047443设计了一种差速浮动式密封装置，可以依靠传输密封与转轴之间的浮动来实现速度的自适应调节。这种差动环结构能够有效降低线速度，但是对与差动环转速的调整和控制是一个难点；而如中国专利CN201612646U外加驱动元件，一方面影响了轴端轴承的安装，使旋转轴处于悬臂状态，而单个行星轮的运动会引起主轴周期性晃动；另一方面动环静分布在差动环两侧，刚性连接的差动环会影响弹簧力的传递，动环与差动环端面比压不易控制，影响密封效果。
发明内容：
为此，为了克服现有旋转机械密封高转速下密封效果不理想，解决差动轮安装驱动的难题，本发明提供一种以行星架作为差动轮，将动环、静环均挠性安装，且布置在差动环同一侧的紧凑型机械密封装置。
本发明的技术方案是：行星差动径向双端面机械密封，其特征在于：行星差动径向双端面机械密封的左端是介质侧、右端是空气侧，由行星轮系、两对摩擦副和轴承组成，所述的两对摩擦副包括紧靠转轴的旋转密封环1和介质侧差动轮12组成的密封副以及远离转轴的静止密封环8和介质侧差动轮12组成的密封副，所述的轴承包括止推轴承17和滚动轴承18，止推轴承17右侧安装轴端静止壳体19轴承座内，左侧与空气侧差动轮16接触，以限制行星轮系统轴向自由度，滚动轴承18外圈安装在轴端静止壳体19轴承座，内侧与转轴5连接，行星差动径向双端面机械密封起到阻止密封介质由介质侧差动轮12向大气泄漏的作用。旋转密封环1与转轴5键连接，环绕转轴5的旋转弹簧2设置在旋转密封环1与弹簧座3之间，旋转密封环1与转轴5同步转动，旋转弹簧2由弹簧座3起到限位作用，紧固螺钉4将弹簧座3与转轴5固定，起到传递扭矩作用，旋转密封环1在旋转弹簧2的作用下沿轴向产生微幅滑动，保持其与介质侧差动轮12端面的贴合，阻止介质沿贴合端面的泄漏；旋转密封环1与介质侧差动轮12以不同转速同向转动，旋转密封环1和介质侧差动轮12之间由此形成了低于转轴5转速的相对速度差，起到了降速作用；旋转密封环1与转轴5之间装有辅助密封圈6，辅助密封圈6对旋转密封环1起到密封作用，防止介质沿转轴5和旋转密封环1之间的径向间隙产生泄漏。静止密封环8安装在静环座10内，彼此保持相对静止，在静止密封环8的背部安放弹簧7，弹簧7产生的推力保持静止密封环8与介质侧差动轮12端面的贴合，阻止介质沿贴合端面的泄漏；静止密封环8和静环座1之间装有辅助密封圈9，辅助密封圈9对静止密封环1起到密封作用，防止介质沿静环座10和静止密封环8之间的径向间隙产生泄漏；静环座10和轴端静止壳体19之间装有密封件11，密封件11阻止泄漏介质或行星轮系润滑剂经由静环座10和轴端静止壳体19之间的间隙外漏。旋转密封环1和静止密封环8均为挠性环，沿轴向可产生微幅自由滑动。行星轮系由中心太阳轮21、介质侧差动轮12、行星轮13和内齿圈15组成，中心太阳轮21直接由转轴5上的凸台加工而成并随转轴5一起转动，内齿圈15通过花键与轴端静止壳体19连接固定，行星轮13支撑在滚针轴承14上，行星轮13的自转由滚针轴承14支撑完成，行星轮13和滚针轴承14共同安装在空气侧差动轮16的保持架上，沿周向均匀分布，并与中心太阳轮以及内齿圈15啮合，空气侧差动轮16与介质侧差动轮12靠螺栓20固定，并与止推轴承17刚性连接，仅可产生周向自由运动。行星差动径向双端面机械密封装置以中心太阳轮21为原动件，通过行星轮13改变传动比变速，即可确定执行件介质侧差动轮12转速，实现行星差动径向双端面机械密封的两对密封副均在低于转轴转速的条件下运行。
进一步，转轴5的轴转速为v1，中心太阳轮21的加工齿数为n1，内齿圈15的齿数为n2，介质侧差动轮12和空气侧差动轮16的转速v2＝v1n1/(n1+n2)＝(0.2～0.4)v1。
进一步，介质侧差动轮12为加工有螺纹孔的盘，空气侧差动轮16是带有通孔和销的盘，介质侧差动轮12和空气侧差动轮16通过螺钉固结，并与止推轴承17刚性连接；行星轮13通过滚针轴承14固定在空气侧差动轮的销上，数量为3～4个，沿圆周方向均匀排布。
再进一步，中心太阳论21、内齿圈15、行星轮13的齿轮采用直齿轮、斜齿轮、人字齿轮中的一种。
本发明适用于高转速机泵的轴端密封，可以依据传动比将旋转轴的转速按需求分配到两级密封副，单一密封副可以在较低的线速度下运行，提高了密封可靠性和使用寿命。
本发明具有以下优点：
1.不需要外部驱动元件和减速机构，仅靠行星轮系就实现了密封端面线速度的降低；
2.动、静环均为挠性安装，可有效避免差动轮振动导致的密封端面比压过大或失压；
3.旋转密封环和静止密封环均分布在介质差动轮同一侧，传动机构不与介质直接接触；
4.差动轮转速与轴转速有关，可通过改变齿轮传动比来调整转速，实现一定范围降速；
5.行星轮系机构可与径向双端面机械密封集装一起，结构简单，安装方便。
附图说明：
图1是本发明动环和静环为挠性安装，阶梯轴直接开直齿，差动环轴向固定的一种结构的周向剖视图。
图2是图1A-A向阶梯剖视图。左半侧视图为差动环与动静环接触端面剖视图，右半侧视图为行星轮系剖视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行分析。
参照附图1：
1—旋转密封环；2—旋转弹簧；3—旋转弹簧座；4—紧固螺钉；5—转轴；6—辅助密封圈；7—弹簧；8—静止密封环；9—辅助密封圈；10—静环座；11—密封件；12—介质侧差动轮；13—行星轮；14—滚针轴承；15—内齿圈；16—空气侧差动轮；17—止推轴承；18—滚动轴承；19—静止壳体；20—螺栓；21-中心太阳轮。
图1是本发明实施例1的结构示意图：行星差动径向双端面机械密封，其特征在于：行星差动径向双端面机械密封的左端是介质侧、右端是空气侧，由行星轮系、两对摩擦副和轴承组成，所述的两对摩擦副包括紧靠转轴的旋转密封环1和介质侧差动轮12组成的密封副以及远离转轴的静止密封环8和介质侧差动轮12组成的密封副，所述的轴承包括止推轴承17和滚动轴承18，止推轴承17右侧安装轴端静止壳体19轴承座内，左侧与空气侧差动轮16接触，以限制行星轮系统轴向自由度，滚动轴承18外圈安装在轴端静止壳体19轴承座，内侧与转轴5连接，行星差动径向双端面机械密封起到阻止密封介质由介质侧差动轮12向大气泄漏的作用。旋转密封环1与转轴5连接，环绕转轴5的旋转弹簧2设置在旋转密封环1与弹簧座3之间，旋转密封环1与转轴5同步转动，旋转弹簧2由弹簧座3起到限位作用，紧固螺钉4将弹簧座3与转轴5固定，起到传递扭矩作用，旋转密封环1在旋转弹簧2的作用下沿轴向产生微幅滑动，保持其与介质侧差动轮12端面的贴合，阻止介质沿贴合端面的泄漏；旋转密封环1与介质侧差动轮12以不同转速同向转动，旋转密封环1和介质侧差动轮12之间由此形成了低于转轴5转速的相对速度差，起到了降速作用；旋转密封环1与转轴5之间装有辅助密封圈6，辅助密封圈6对旋转密封环1起到密封作用，防止介质沿转轴5和旋转密封环1之间的径向间隙产生泄漏。静止密封环8安装在静环座10内，彼此保持相对静止，在静止密封环8的背部安放弹簧7，弹簧7产生的推力保持静止密封环8与介质侧差动轮12端面的贴合，阻止介质沿贴合端面的泄漏；静止密封环8和静环座1之间装有辅助密封圈9，辅助密封圈9对静止密封环1起到密封作用，防止介质沿静环座10和静止密封环8之间的径向间隙产生泄漏；静环座10和轴端静止壳体19之间装有密封件11，密封件11阻止泄漏介质或行星轮系润滑剂经由静环座10和轴端静止壳体19之间的间隙外漏。旋转密封环1和静止密封环8均为挠性环，沿轴向可产生微幅自由滑动。行星轮系由中心21、介质侧差动轮12、行星轮13和内齿圈15组成，中心太阳轮21直接由转轴5上的凸台加工而成并随转轴5一起转动，内齿圈15通过花键与轴端静止壳体19连接固定，行星轮13通过滚针轴承14安装在空气侧差动轮16的保持架上，沿周向均匀分布，并与中心太阳轮21以及内齿圈15啮合，空气侧差动轮16与介质侧差动轮12靠螺栓20固定，并与止推轴承17刚性连接，仅可产生周向自由运动。行星差动径向双端面机械密封装置以中心太阳轮为原动件，通过行星轮13改变传动比变速，即可确定执行件介质侧差动轮12转速，实现行星差动径向双端面机械密封的两对密封副均在低于转轴转速的条件下运行。
装置以中心太阳轮为原动件，通过行星轮系定传动比变速，即可确定执行件介质侧差动轮12转速，实现行星差动径向双端面机械密封在低于转轴转速的条件下运行。差动轮12转速可以由以下方法计算：
v2＝v1n1/(n1+n2)＝(0.2～0.4)v1
式中：v1为主轴转速，v2为差动环转速，齿数为n1为转轴1上的齿数，n2为内齿圈齿数。
旋转密封环1与介质侧差动轮12的相对转速：vF1＝v1-v2
静止密封环8与介质侧差动轮12的相对转速：vF1＝v2
本实施例的特点是：动环1和静环8挠性安装在转轴5和静环座10上，差动轮12轴向固定，行星轮13采用直齿轮，机械密封为接触式密封，动静环和差动环上均不设置动压槽。
在以上实例中，重点在于体现动静环以及差动环安装方式。为了更清楚描述问题，以上实施例均只涉及单级密封结构，而在实际使用过程中。密封总体布局根据需要可有多种形式：串联式密封、或者带有迷宫密封等组合式密封。此外，根据弹性元件设置形式、齿轮的种类以及端面设置流体动压槽等不同具有各种变型形式。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的举例，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例中所述的具体形式，本发明的保护范围也涉及本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.行星差动径向双端面机械密封的左端是介质侧、右端是空气侧，由行星轮系、两对摩擦副和轴承组成，所述的两对摩擦副是指紧靠转轴的旋转密封环(1)和介质侧差动轮(12)组成的密封副以及远离转轴的静止密封环(8)和介质侧差动轮(12)组成的密封副，所述的轴承是指止推轴承(17)和滚动轴承(18)，行星差动径向双端面机械密封起到阻止密封介质由介质侧差动轮(12)向大气泄漏的作用；其结构特征是：
旋转密封环(1)与转轴(5)连接，环绕转轴(5)的旋转弹簧(2)设置在旋转密封环(1)与弹簧座(3)之间，旋转密封环(1)与转轴(5)同步转动，旋转弹簧(2)由弹簧座(3)起到限位作用，紧固螺钉(4)将弹簧座(3)与转轴(5)固定；旋转密封环(1)在旋转弹簧(2)的作用下沿轴向产生微幅滑动，保持其与介质侧差动轮(12)端面的贴合，阻止介质沿贴合端面的泄漏；旋转密封环(1)与介质侧差动轮(12)以不同转速同向转动，旋转密封环(1)和介质侧差动轮(12)之间由此形成了低于转轴(5)转速的相对速度差；旋转密封环(1)与转轴(5)之间装有辅助密封圈(6)，防止介质沿转轴(5)和旋转密封环(1)之间的径向间隙产生泄漏；静止密封环(8)安装在静环座(10)内，保持相对静止，在静止密封环(8)的背部安放弹簧(7)，弹簧(7)产生的推力保持静止密封环(8)与介质侧差动轮(12)端面的贴合，阻止介质沿贴合端面的泄漏；静止密封环(8)和静环座(1)之间装有辅助密封圈(9)，防止介质沿静环座(10)和静止密封环(8)之间的径向间隙产生泄漏；静环座(10)和轴端静止壳体(19)之间装有密封件(11)，密封件(11)阻止泄漏介质或行星轮系润滑剂经由静环座(10)和轴端静止壳体(19)之间的间隙外漏；旋转密封环(1)和静止密封环(8)均为挠性环，沿轴向可产生微幅自由滑动；行星轮系由中心太阳轮(21)、介质侧差动轮(12)、行星轮(13)和内齿圈(15)组成，中心太阳轮(21)直接由转轴(5)上的凸台加工而成并随转轴(5)一起转动，内齿圈(15)通过花键与轴端静止壳体(19)连接固定，行星轮(13)支撑在滚针轴承(14)上，行星轮(13)的自转由滚针轴承(14)支撑完成，行星轮(13)和滚针轴承(14)共同安装在空气侧差动轮(16)的保持架上，沿周向均匀分布，并与中心太阳轮(21)以及内齿圈(15)啮合，空气侧差动轮(16)与介质侧差动轮(12)靠螺栓(20)固定，并与止推轴承(17)刚性连接，仅可产生周向自由运动；行星差动径向双端面机械密封装置以中心太阳轮(21)为原动件，通过行星轮(13)改变传动比变速，确定执行件介质侧差动轮(12)转速，行星差动径向双端面机械密封的两对密封副均在低于转轴转速的条件下运行。
2.如权利要求1所述的行星差动径向双端面机械密封，其特征在于：转轴(5)的轴转速为v1，中心太阳轮(21)的加工齿数为n1，内齿圈(15)的齿数为n2，介质侧差动轮(12)和空气侧差动轮(16)的转速是v2＝v1n1/(n1+n2)＝(0.2～0.4)v1。
3.如权利要求2所述的行星差动径向双端面机械密封，其特征在于：介质侧差动轮(12)为加工有螺纹孔的盘，空气侧差动轮(16)是带有通孔和销的盘，介质侧差动轮(12)和空气侧差动轮(16)通过螺钉固结，并与止推轴承(17)刚性连接；行星轮(13)通过滚针轴承(14)固定在空气侧差动轮的销上，数量为3～4个，沿圆周方向均匀排布。
4.如权利要求3所述的行星差动径向双端面机械密封，其特征在于：中心太阳论(21)、内齿圈(15)、行星轮(13)的齿轮采用直齿轮、斜齿轮、人字齿轮中的一种。
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