CN1090634A

CN1090634A - 自平衡组合式高压旋转密封环

Info

Publication number: CN1090634A
Application number: CN93120025A
Authority: CN
Inventors: 綦建前; 扬荣; 刘静; 王化川; 黄力军
Original assignee: AUTOMATION RESEARCH ACADEMY MINISTRY OF METALLURGICAL INDUSTRY
Current assignee: AUTOMATION RESEARCH ACADEMY MINISTRY OF METALLURGICAL INDUSTRY
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1994-08-10
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: CN1035130C

Abstract

本发明涉及一种用于高速旋转轴的自平衡组合式高压旋转密封环。它包括一由充填聚四氟乙烯制的密封碗和由橡胶或聚胺酯制成的装于密封碗内的 O形圈。所述的密封碗具有一唇形开口，其内设有一安装上述O形圈的圆形腔，密封碗的横截面具有第一边、第二边、第三边、第四边、背压边、密封边和倒角边。因此本发明的密封环可在高压高速的工作场合中使用，而且具有摩擦力小、寿命长的优点。

Description

本发明涉及一种用于旋转轴的密封装置，特别是一种用于高转速旋转轴的自平衡组合式高压旋转密封环。

在现代机械工业中，密封元件是应用最广的基础元件之一，对于旋转密封而言，由于其特殊的应用场合，它应具有较小的摩擦系数、较长的使用寿命，以及应能满足在高压高转速的条件下正常工件而不泄漏。现有技术中的旋转密封主要有以下几种：

（1）填塞型密封。如整环填料密封和盘根填料密封。压力适用范围：1.3×10³Pa-3.5×10⁷Pa;线速度小于20m/s，缺点是：压力高时线速度低;摩擦力大;停车时有泄漏。

（2）挤压型密封。如O型，D、X、△型密封等，其在3.5×10⁷Pa压力下，旋转线速度小于0.05m/s;在0.7×10⁶Pa压力下，旋转线速度可达3m/s。

（3）分剖型密封。如开口环和分辨环。其耐压和旋转线速度都可以很高（1.5×10⁷Pa-2.2×10⁸Pa;3m/s-100m/s），但其属于泄漏型密封。也就是说它在旋转状态和停车状态都有泄漏，既污染了环境，也降低了效率。

（4）挠曲型密封。如唇形密封中V型、U型、Y型等油封。这类旋转密封广泛应用于各类旋转机械中。其密封压力最高可达10×10⁷Pa，但最大的缺点是旋转线速度低，如U型密封只有30-35mm/s的线速度。当油封在旋转线速度4-15m/s范围内工作时，耐压只有3-0.7×10⁵Pa。

图1a、1b和1c分别示出了三种不同的唇形密封的结构，在图1a中，密封环主要是由橡胶碗部分21和弹簧环22两大部件组成，其密封机理是由橡胶碗部分21的唇端25自身的过盈配合压力与弹簧圈22的环抱力加上工作介质压力P之和形成油封唇端与旋转轴表面的接触压力，并由这一压力来控制油膜厚度，从而达到密封的目的。但是，由于现有密封环上的腰部24比较单薄且对介质压力P有一个较宽的环形作用面积，而且材料大都采用弹性橡胶，因而当工作介质压力P升高时，使之产生弯曲变形，严重地破坏了密封机理，由于磨损或撕裂造密封失效而产生泄漏。为了提高使用压力现有的密封采用了加强腰部24的措施见图1b和1c中的金属骨架23和23′。尽管如此其工作压力也不过由图1a中所示型式的3.5×10⁵Pa提高到图1b中所示型式的7×10⁵Pa，最后只能提高图1c所示型式的3.5×10⁶Pa。

本发明的一个目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能在高转速下正常工作的自平衡组合式高压旋转密封环。

本发明的另一个目的是提供一种摩擦系数小，使用寿命长且无泄漏的自平衡组合式高压旋转密封环。

本发明的又一个目的是提供一种适用温度范围广、结构合理、加工方便而且成本较低的自平衡组合式高压旋转密封环。

本发明的技术解决方案如下：一种自平衡组合式高压旋转密封环，包括一密封碗和一装在密封碗内的O形圈，其特征在于：所述密封碗具有一唇形开口，密封碗的横截面具有一第一边、第二边、第三边、第四边、背压边、密封边、倒角边和唇形开口，所述的第二边与静止部件相接，第一边和第三边均与第二边成直角，所述的密封边与旋转轴形成滑动接触，背压边将第三边和密封边连接起来，且背压边与旋转轴轴向表面成一较小的角度A，所述的唇形开口位于第一边和第四边之间，倒角边将第四边和密封边连接起来且倒角边与旋转轴轴向表面成一较大的角度B，所述唇形开口内的密封碗的中间设有一圆形腔，该圆形腔的垂直于旋转轴表面的中心线位于密封边的范围内，所述的O形圈为过盈装配在唇形开口的圆形开口的圆形腔内。所述的较小的角度A在0°＜A≤15°的范围内，所述的较大的角度B在20°≤B≤80°的范围内。所述的角度A近似等于5°，角度B近似等于45°。所述的密封碗由充填聚四氟乙烯制造，所述O形圈由橡胶材料制造。所述的O形圈是由丁腈橡胶或硅橡胶或聚氨酯制造。所述的用于制造密封碗的充填聚四氟乙烯的充填材料为二硫化钼和铜粉。所述的充填材料二硫化钼在0.1%-3%（wt）的范围内，铜粉在35%-65%范围内。

本发明与现有技术相比，适用范围广，可同时满足对旋转密封高压、高转速的使用要求，在油压压力为2.5×10⁷Pa时，旋转轴的线速度可大于3m/s，而且没有泄漏。同时适用温度范围大，在-40℃-+90℃的范围内都能正常工作。由于采用充填聚四氟乙烯材料（填料中有二硫化钼和铜粉），既提高了使用寿命，也降低了密封环的摩擦系数。而且加工和安装都很方便。

下面参照附图对本发明的最佳实施例做进一步的描述。

图1a、1b和1c为现有技术中唇形密封环的三种不同的结构形式的截面剖示图;

图2a、2b和2c为本发明的自平衡组合式高压旋转密封环的截面剖示图，图2a、2b和2c依次表示了随着压力升高O形圈20发生受压变形的情况;

图3为本发明的旋转密封用于旋转轴32上的示意图;

图4为本发明的旋转密封环的倒角边6的位置发生改变的示意图;

图中：密封碗的第一边1;第二边2;第三边3;第四边4;密封环的唇形开口5;倒角边6、6a、6b;密封碗内的圆形腔7;圆形腔的中心线8;密封碗10;自平衡组合式高压旋转密封环11;密封边的宽度12;密封背压腔14;密封环与衬环的结合面16（包括第二边2和第三边3）;衬环17;密封碗内圆形腔的圆心19;O形圈20;橡胶碗21;弹簧环22;金属骨架23、23′;橡胶碗的腰部24;密封唇端25;O形圈变形区30;密封边宽度标引线31;旋转轴32;背压边40;密封边50。

参见附图2和3，特别是图2b，图中示出了本发明的自平衡组合式高压旋转密封环的剖面结构（局部）示意图。该密封环11包括密封碗10和O形圈20两部分，而密封碗20具有一个第一边1、第二边2、第三边3、第四边4、唇形开口5、倒角边6、圆形腔7、背压边40和密封边50。该密封碗10上没有普通橡胶碗上的腰部和密封唇端（现有技术中是外软内硬），而是根据压力平衡的原理，采用密封碗加O形圈的形式（外硬内软），并设计有倒角边6将压力油P引入第四边4下面，从而使压力油P在倒角边6上产生的沿旋转轴径向向上的作用力，以抵消压力油P作用在唇形开口内表面上产向的径向向下的作用力的大部分。背压边40与旋转轴轴向表面的直线的夹角A在0°＜A≤15°的范围内，倒角边6与旋转轴轴向表面直线的夹角B在25°≤B≤80°的范围同。一般取角A为5°左右，角B为45°左右。所述的第二边平行于轴向表面并环绕着旋转轴32，第一边1、第三边3和第4边4都垂直于旋转轴表面。密封碗10内的圆形腔7用于安装O形圈20，其中心线的位置，特别是垂直于旋转轴轴向表面（沿径向）的中心线8的位置非常重要，该中心线8应位于密封边50的宽度12内，在本实施例中，该中心线8基本上穿过倒角边与密封边的结合点。

本发明中的密封碗10采用的是充填聚四氟乙烯材料，其充填材料为二硫化钼和铜粉，其中二硫化钼占0.1%-3%（wt）左右，铜粉占35%-65%（wt）左右，其余为聚四氟乙烯，因此该密封碗具有高强度、高耐磨性、良好的导热性和很低的摩擦系数。过盈安装在密封碗10内圆形腔7中的弹性O形圈20采用橡胶（根据所使用的介质可采用丁腈橡胶、氟橡胶或硅橡胶）或聚胺脂制造。

本发明的密封环的密封机理是（见图2a、2b和2c）：当工作介质没有压力或压力P较低时（图2a），密封是靠密封碗10的密封边50与轴表面的装配过盈力和弹性O形密封圈20的径向过盈力之和来达到密封所需要的比压，从而起到密封作用。当工作介质压力P逐渐升高时，弹性O形密封圈20在压力P的作用力下压缩变形（见图2b、2c），随着压力P的升高，变形量30也越大。由于作用在唇形开口内表面工作径向向下的作用力是略大于倒角边表面上产生的径向向上的作用力，即上、下压力基本平衡。这样，无论压力P升高或降低都不会产生使密封边变形的力矩。因而始终保持其密封机理的健全，达到高压高速实现密封的目的。这一压力平衡结构可以使整个密封边的比压保持在一个既能保持密封又不至产生过大比压值的最佳值。

参见图4，图4中给出三种不同的密封边与倒角边6的结合点K的位置。K1为本发明最佳实施例中的位置，其相应的倒角边6。当采用K2点时，倒角边为6a，此时角B变大。当压力P升高时，由于倒角边6a在轴表面的投影面积减小，所产生的径向向上的作用力不足以抗衡唇形开口内表面上产生的径向向下的作用力，密封比压增加，密封性很好，但密封边与旋转轴表面在高转速时磨损加快，密封寿命降低。当采用K3点时，倒角边为6b，此时B角变小，情况与K2点正好相反，倒角边6b在轴表面上的投影面积增大，油压P升高后，所产生的径向向上的作用力大于唇形开口内表面上产生的径向向下的作用力。密封比压下降，密封性不好，甚至发生泄漏。因此K1点为保持理想比压的最佳点。根据本发明，应使密封碗内圆形腔的中心线8落在密封边的范围内，根据本发明的最佳实施例，该中心线8与K1点是基本重合的。

Claims

1、一种自平衡组合式高压旋转密封环，包括一密封碗和一装在密封碗内的O形圈，其特征在于：所述密封碗具有一唇形开口，密封碗的横截面具有一第一边、第二边、第三边、第四边、背压边、密封边、倒角边和唇形开口，所述的第二边与静止部件相接，第一边和第三边均与第二边成直角，所述的密封边与旋转轴形成滑动接触，背压边将第三边和密封边连接起来，且背压边与旋转轴轴向表面成一较小的角度A，所述的唇形开口位于第一边和第四边之间，倒角边将第四边和密封边连接起来且倒角边与旋转轴轴向表面成一较大的角度B，所述唇形开口内的密封碗的中间设有一圆形腔，该圆形腔的垂直于旋转轴表面的中心线位于密封边的范围内，所述的O形圈为过盈装配在唇形开口的圆形开口的圆形腔内。

2、如权利要求1所述的一种自平衡组合式高压旋转密封环，其特征在于：所述的较小的角度A在0°＜A≤15°的范围内，所述的较大的角度B在20°≤B≤80°的范围内。

3、如权利要求2所述的一种自平衡组合式高压旋转密封环，其特征在于：所述的角度A近似等于5°，角度B近似等于45°。

4、如权利要求1所述的一种自平衡组合式高压旋转密封环，其特征在于：所述的密封碗由充填聚四氟乙烯制造，所述O形圈由橡胶材料制造。

5、如权利要求4所述的一种自平衡组合式高压旋转密封环，其特征在于：所述的O形圈是由丁腈橡胶或硅橡胶或聚氨酯制造。

6、如权利要求4所述的一种自平衡组合式高压旋转密封环，其特征在于：所述的用于制造密封碗的充填聚四氟乙烯的充填材料为二硫化钼和铜粉。

7、如权利要求6所述的一种自平衡组合式高压旋转密封环，其特征在于：所述的充填材料二硫化钼在0.1%-3%（wt）的范围内，铜粉在35%-65%范围内。