CN109185221B - 变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封 - Google Patents

变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封 Download PDF

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Abstract

本发明变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封，包括轴套、压盖、介质侧机械密封、平衡套、大气侧机械密封、补偿弹簧，介质侧机械密封静环(4)右端与压盖(2)内孔左端滑动配合，平衡套(5)左端与压盖(2)内孔右端滑动配合，大气侧机械密封的静环座(61)的左端内圆面与平衡套(5)右端外圆面滑动配合，在大气侧机械密的静环座(61)的左端设置补偿弹簧(8)与平衡套(5)配合，推动介质侧机械密的封静环(4)与动环(32)贴合。其通过平衡套(5)用一套补偿弹簧(8)对双端面机械密封进行补偿，随着压力条件的变化，平衡套(5)可以转换介质侧机械密封的平衡直径位置，始终保持合理的平衡系数，保证无论封液压力高低，介质侧机械密封端面的闭合力保持稳定。

Description

变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封
技术领域
本发明涉及的是机械密封装置，特别是一种双端面机械密封装置，是一种适用于含颗粒、纤维、浅泥浆、造酒、制糖、酸牛奶、高岭土、煤浆、高浓度浆液等介质渣浆泵用的双端面机械密封装置。
背景技术
机械密封又称端面密封，是一种防止工作流体沿旋转轴泄漏的装置，由至少一对垂直于轴线在补偿机构弹力的作用以及辅助密封的配合下保持贴和并相对滑动的端面构成。构成机械密封的基本元件有：端面密封副、弹性元件、辅助密封、传动机构。
双端面机械密封是由两对密封端面组成的机械密封。相对单端面机械密封结构复杂，需设置外供封液系统，通常在两组密封端面之间组成的密封腔通入外供封液，起“封堵”和润滑密封端面的作用。
根据外供封液压力高低，双端密封机械密封分为：封液无压型双端面机械密封和封液有压型双端面机械密封。封液无压型双端面机械密封的两对密封端面间的封液压力低于密封腔压力。封液有压型双端面机械密封的两对密封端面间的封液压力高于密封腔压力。封液无压型双端面机械密封适用易汽化、易挥发的轻烃类介质。封液有压型双端面机械密封适用于腐蚀、高温、带固体颗粒及纤维润滑性差的介质。
传统的双端面机械密封，当结构和端面设计参数确定后，只能适用一种压力方向的工况，封液或是有压或是无压，不能同时适用封液有压和无压的两种工况。其中决定性因素就是机械密封端面的平衡系数。
平衡系数是指流体压力作用在补偿环上，使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积(Ae)与密封面名义接触面积（A）之比为平衡系数（K），反应了密封端面的承载能力。平衡系数的大小，表示介质压力作用到密封端面的载荷程度，平衡系数的大小与密封端面的内外直径及平衡直径有关，当密封端面确定好后，想改变平衡系数时，可以通过改变平衡直径实现。
平衡系数计算公式：
K=Ae/A
K=(D2 2 -D3 2 )/(D2 2 -D1 2 )
K：平衡系数
D2：摩擦副外径
D1：摩擦副内径
D3：平衡直径
机械密封的弹性元件对密封端面产生一定的预紧力，使密封端面在启动、停车或介质压力波动时能保持良好的结合；另外，弹性元件可以克服辅助密封圈与轴之间的摩擦力，使补偿环轴向移动，以补偿端面磨损后形成的间隙。在弹簧类机械密封中，圆柱螺旋压缩弹簧使用最广，但因其节距小容易被颗粒性或纤维性的介质堵塞，影响机械密封的浮动性和追随性。
渣浆泵输送的介质工况条件恶劣，输送的介质多为固液两相流的流体，杂质颗粒含量多，机械密封遇到突出的问题是磨损和堵塞的问题，传统的单端密封不能完全满足长周期运行的使用要求。双端面机械密封由于有外供封液，能起“封堵”和润滑密封端面的作用，有效的延长了机械密封的使用寿命。渣浆泵配置双端面机械密封是一种发展趋势，但在实际应用过程中，发现传统的双端面机械密封，也有一些使用不稳定的情况，主要表现在外供封液系统上，当外供封液压力不稳定时，双端面机械密封的介质侧端面平衡系数变小，密封端面容易被打开，造成料浆介质大量的泄漏至二级密封，并引起弹性补偿元件堵塞，造成机械密封失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种可改变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封，其根据介质和封液间压力差的变化，转换密封平衡直径的位置，完成密封端面平衡系数的转换，使介质侧机械密封端面始终保持合理的平衡系数，有效的解决了密封端面因封液压力不平衡而打开的问题。
本发明包括轴套1、压盖2、介质侧机械密封动环组件3、介质侧机械密封静环4、平衡套5、大气侧机械密封静环组件6、大气侧机械密封动环组件7、补偿弹簧8。
介质侧机械密封动环组件3包括介质侧机械密封动环座31和介质侧机械密封动环32，介质侧机械密封动环32嵌装固定在介质侧机械密封动环座31右端开设的内止口台上，介质侧机械密封动环座31的左端通过内止口台31a与轴套1配合安装，在介质侧机械密封动环座31与轴套1配合面间设有介质侧机械密封动环座O型密封圈13a、13b，在介质侧机械密封动环座31与轴套1间设有防转机构，以防止介质侧机械密封动环座31相对轴套1转动，使介质侧机械密封动环座31随轴套1一起转动。
在压盖2内孔中部开设有封液腔凹槽20，在压盖2上开有与封液腔凹槽20相通的封液进液孔21。
介质侧机械密封静环4右端外圆与压盖2内孔左端滑动配合安装，在压盖2与介质侧机械密封静环4配合面间设有介质侧机械密封静环O型密封圈24。
平衡套5左端外圆与压盖2内孔右端滑动配合安装，在压盖2与平衡套5配合面间设有平衡套O型密封圈25，在压盖2与平衡套5间设有平衡套5防转机构，以防止平衡套5转动。
大气侧机械密封静环组件6包括静环座61和大气侧机械密封静环62，大气侧机械密封静环62嵌装固定在静环座61右端开设的内止口台上，静环座61的左端内圆面61a与平衡套5右端外圆面滑动配合安装，在平衡套5与静环座61的配合面间设有O大气侧机械密封静环座型密封圈56，在静环座61与平衡套5间设有防转机构，或是在静环座61与压盖2间设有防转机构，以防止静环座61转动。
大气侧机械密封动环组件7包括大气侧机械密封动环座71和大气侧机械密封动环72，大气侧机械密封动环72与大气侧机械密封动环座71止口配合，在大气侧机械密封动环座71与大气侧机械密封动环72的轴向配合面上设有大气侧机械密封动环O型密封圈73，在大气侧机械密封动环座71与大气侧机械密封动环72间设有防转机构，以防止大气侧机械密封动环72相对大气侧机械密封动环座71转动，使大气侧机械密封动环72随大气侧机械密封动环座71一起转动，大气侧机械密封动环座71与轴套1右端开设的外止口台配合固定安装，
在大气侧机械密封动环座71与轴套1的配合面间设有大气侧机械密封动环座O型密封圈17。
在大气侧机械密的静环座61的左端面上圆周均匀分布开设有若干补偿弹簧8安装孔81，在平衡套5上开设有外圆盘53，补偿弹簧8安装在静环座61上开设的补偿弹簧安装孔81中并与平衡套5上开设的外圆盘53侧端面配合，补偿弹簧8轴向推力作用平衡套5，使平衡套5的左端面5a与介质侧机械密封静环4的右端面接触，通过平衡套5传递补偿弹簧8的推力作用介质侧机械密封静环4与介质侧机械密封动环32端面贴合，在平衡套5的左端与介质侧机械密封静环4的右端间设有介质侧机械密封静环4防转机构，或者是在压盖2与介质侧机械密封静环4间设置防机构，以防止介质侧机械密封静环4转动。
本发明通过介质侧机械密封的介质侧机械密封动环座31与轴套1左端的止口定位配合和大气侧机械密动环座71与轴套1右端的止口定位配合使整个装置集装在轴套1上，运输装配方便。
本发明结构上介质侧密封和大气侧密封共用一组补偿弹簧8，而且补偿弹簧8完全外置，既不与介质接触，也不与缓冲液接触，达到全防护不被杂质堵塞的目的，且补偿弹簧8维修方便。
平衡系数是机械密封重要的参数，通过平衡直径、平衡系数来设计密封端面，以减小密封面的产热量，满足预期的密封寿命和排放限制。平衡系数可以被解释为密封腔压力使密封端面趋于闭合的比例。常规的机械密封平衡系数确定后，假如使用过程中机械密封受压差方向发生了变化，而平衡直径不变，平衡系数将变小，这就可能造成整套密封端面的闭合力变小打开而损坏。
机械密封的平衡直径是指密封流体压力作用在补偿环辅助密封圈处的直径。补偿环是具有轴向补偿能力的密封环；补偿环辅助密封圈起辅助密封的作用，用来密封补偿环与平衡直径之间的泄漏。
本发明设置了两个平衡直径，介质侧密封补偿环上的平衡直径I和大气侧补偿环上的平衡直径II。平衡直径II的尺寸设置大于平衡直径I。
介质侧密封承受两个方向的流体压力，一个方向是介质侧密封流体的压力，另一个方向是封液的压力。当介质侧流体压力大于封液压力时，介质流体压力起主要作用，其推动补偿环（介质侧机械密封静环4）使介质侧密封端面闭合，这时介质侧密封补偿环的平衡直径在平衡直径I的位置。当介质侧流体压力小于封液压力时，封液压力起主要作用，其推动补偿环(介质侧机械密封静环4)使介质侧密封端面闭合。如果平衡直径维持在平衡直径I上不变，介质侧密封的平衡系数将变小，介质侧密封闭合力减小，端面容易被打开。
本发明设置了一个平衡套5，平衡套5上的平衡直径II的尺寸大于平衡直径I,因此，平衡直径II的受封液压力作用面积大于平衡直径I受封液压力的作用面积。根据F=P(液体压强)/A(面积)，封液压强相同，平衡套5受推向介质侧密封端面的力要大于介质侧机械密封静环4推向介质侧密封端面的力，因此，平衡套5与介质侧机械密封静环4共同组成介质侧密封补偿环，这时介质侧密封受压力补偿环的平衡直径在平衡直径II的位置。
平衡系数是指流体压力作用在补偿环上，使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积(Ae)与密封面名义接触面积（A）之比为平衡系数（K）。
例：平衡系数计算公式
K=Ae/A
当介质压力大于封液压力时，平衡系数的设计值实例如下：
K=(D2 2-D3 2)/(D2 2-D1 2)
K：平衡系数=0.76
D2：摩擦副外径
D1：摩擦副内径
D3：平衡直径I。
当封液压力大于介质压力时，平衡系数的设计值实例如下：
K=(D4 2-D1 2)/(D2 2-D1 2)
K-平衡系数=0.76
D2-摩擦副外径
D1-摩擦副内径
D4-平衡直径II。
另外，大气侧的机械密封只承受封液压力，承受压差方向不发生改变。因此，平衡直径是不变的，大气侧机械密封受力的补偿环平衡直径就是平衡直径II。
本发明工作原理如下：
设置了两个平衡直径，介质侧机械密封补偿环上的平衡直径I和大气侧机械密封补偿环上的平衡直径II。当介质压力大于封液压力时，介质侧机械密封平衡直径实际作用位置为平衡直径I；当介质压力低于封液压力时，在封液压力的作用下平衡直径转换到平衡直径II位置上。根据机械密封平衡系数设置原理，流体压力作用在补偿环上，使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积(Ae)与密封面名义接触面积（A）之比为平衡系数（K）。通过调整介质侧机械密封端面、平衡直径I、平衡直径II的尺寸关系，达到介质侧密封端面的平衡系数始终保持在合理的范围内，有效的解决了介质侧机械密封端面因封液压力不平衡而打开的问题。
本发明结构核心是设置了平衡套5，同时用一套补偿弹簧8对介质侧机械密封和大气侧机械密封进行补偿。随着压力条件的变化，平衡套5可以转换介质侧机械密封的平衡直径位置，始终保持介质侧机械密封端面具有合理的平衡系数。当密封介质压力高于封液压力时，介质侧机械密封受力的平衡直径为平衡直径I,当封液压力高于密封介质压力时，介质侧机械密封经平衡套5的受力转化，介质侧机械密封受力平衡直径位置为平衡直径II,根据平衡系数设置原理，调整I和II的尺寸关系，使介质侧机械密封端面具有合理的平衡系数。即可保证无论封液压力高低，介质侧机械密封端面的闭合力保持稳定。
本发明解决了双端面机械密封因封液系统压力不稳定，易引起介质侧机械密封端面打开的问题，实现了串联双端面机械密封变换平衡直径的目的，确保串联双端面机械密封有更宽泛适用范围，能在复杂工况条件下长周期稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图。
具体实施方式
本发明由轴套1、压盖2、介质侧机械密封动环组件3、介质侧机械密封静环4、平衡套5、大气侧机械密封静环组件6、大气侧机械密封动环组件7、补偿弹簧8组成。
介质侧机械密封动环组件3由介质侧机械密封动环座31和介质侧机械密封动环32组成，介质侧机械密封动环32嵌装固定在介质侧机械密封动环座31右端开设的内止口台上，介质侧机械密封动环座31的左端通过内止口台31a与轴套1配合安装，在介质侧机械密封动环座31与轴套1配合面间设有介质侧机械密封动环座O型密封圈13a、13b，在介质侧机械密封动环座31与轴套1间设有介质侧机械密封动环座防转销33，防止介质侧机械密封动环座31相对轴套1转动，使介质侧机械密封动环座31随轴套1一起转动；
在压盖2内孔中部开设有封液腔凹槽20，在压盖2上开有与封液腔凹槽20相通的封液进液孔21。
介质侧机械密封静环4右端外圆与压盖2内孔左端滑动配合安装，在压盖2与介质侧机械密封静环4配合面间设有介质侧机械密封静环O型密封圈24。
平衡套5左端外圆与压盖2内孔右端滑动配合安装，在压盖2与平衡套5配合面间设有平衡套O型密封圈25，在压盖2与平衡套5间设有平衡套5防转机构，以防止平衡套5转动。
大气侧机械密封静环组件6由静环座61和大气侧机械密封静环62组成，大气侧机械密封静环62嵌装固定在静环座61右端开设的内止口台上，静环座61的左端内圆面61a与平衡套5右端外圆面滑动配合安装，在平衡套5与静环座61的配合面间设有大气侧机械密封静环座O型密封圈56，在静环座61与平衡套5间设有防转机构，或是在静环座61与压盖2间设有防转机构，以防止静环座61转动。
大气侧机械密封动环组件7由大气侧机械密封动环座71和大气侧机械密封动环72组成，大气侧机械密封动环72与大气侧机械密封动环座71左端开设的外止口配合，在大气侧机械密封动环座71与大气侧机械密封动环72的轴向配合面上设有大气侧机械密封动环O型密封圈73，在大气侧机械密封动环座71与大气侧机械密封动环72间设有大气侧机械密封动环防转销75，以防止大气侧机械密封动环72相对大气侧机械密封动环座71转动，使大气侧机械密封动环72随大气侧机械密封动环座71一起转动，大气侧机械密封动环座71与轴套1右端开设的外止口台配合，并通过定位卡环77和锁定螺钉78定位固定安装，在大气侧机械密封动环座71与轴套1的配合面间设有大气侧机械密封动环座O型密封圈17。
在大气侧机械密的静环座61的左端面上圆周均匀分布开设有若干补偿弹簧8安装孔81，在平衡套5上开设有外圆盘53，补偿弹簧8安装在静环座61上开设的补偿弹簧安装孔81中并与平衡套5上开设的外圆盘53侧端面配合，补偿弹簧8轴向推力作用平衡套5，使平衡套5的左端面5a与介质侧机械密封静环4的右端面接触，通过平衡套5传递补偿弹簧8的推力作用介质侧机械密封静环4与介质侧机械密封动环32端面贴合，在平衡套5的左端与介质侧机械密封静环4的右端间设有介质侧机械密封静环防转销45，当然也可以是在压盖2与介质侧机械密封静环4间设置防转销，以防止介质侧机械密封静环4转动。
附图实施例所示，所述的在压盖2与平衡套5间设有的平衡套5防转机构和在大气侧机械密封静环座61与平衡套5间设有的防转机构，或是在大气侧机械密封静环座61与压盖2间设有的防转机构是在大气侧机械密封静环座61左侧端面上开设的大气侧机械密静环座防转销孔63，在介质侧机械密封动环座5外圆盘53上对应开设的平衡套防转销孔54，固定在压盖2上的平衡套防转销23构成，平衡套防转销23穿置在大气侧机械密封静环座61上开设的大气侧机械密静环座防转销孔63和平衡套5外圆盘53上开设的平衡套防转销孔54中，对平衡套5和大气侧机械密封静环座61进行防转。

Claims (3)

1.变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封，其特征是：
包括轴套(1)、压盖(2)、介质侧机械密封动环组件(3)、介质侧机械密封静环(4)、平衡套(5)、大气侧机械密封静环组件(6)、大气侧机械密封动环组件(7)、补偿弹簧(8)；
介质侧机械密封动环组件(3)包括介质侧机械密封动环座(31)和介质侧机械密封动环(32)，介质侧机械密封动环(32)嵌装固定在介质侧机械密封动环座(31)右端开设的内止口台上，介质侧机械密封动环座(31)的左端通过内止口台(31a)与轴套(1)配合安装，在介质侧机械密封动环座(31)与轴套(1)配合面间设有介质侧机械密封动环座O型密封圈(13a、13b)，在介质侧机械密封动环座(31)与轴套(1)间设有防转机构,以防止介质侧机械密封动环座(31)相对轴套(1)转动；
在压盖(2)内孔中部开设有封液腔凹槽(20)，在压盖(2)上开有与封液腔凹槽(20)相通的封液进液孔(21)；
介质侧机械密封静环(4)右端外圆与压盖(2)内孔左端滑动配合安装，在压盖(2)与介质侧机械密封静环(4)配合面间设有介质侧机械密封静环O型密封圈(24)；
平衡套(5)左端外圆与压盖(2)内孔右端滑动配合安装，在压盖(2)与平衡套(5)配合面间设有平衡套O型密封圈(25)，在压盖(2)与平衡套(5)间设有平衡套(5)防转机构，以防止平衡套(5)转动；
大气侧机械密封静环组件(6)包括静环座(61)和大气侧机械密封静环(62)，大气侧机械密封静环(62)嵌装固定在静环座(61)右端开设的内止口台上，静环座(61)的左端内圆面(61a)与平衡套(5)右端外圆面滑动配合安装，在平衡套(5)与静环座(61)的配合面间设有大气侧机械密封静环座O型密封圈(56)，在静环座(61)与平衡套(5)间设有防转机构，或是在静环座(61)与压盖(2)间设有防转机构，以防止静环座(61)转动；
大气侧机械密封动环组件(7)包括大气侧机械密封动环座(71)和大气侧机械密封动环(72)，大气侧机械密封动环(72)与大气侧机械密封动环座(71)止口配合，在大气侧机械密封动环座(71)与大气侧机械密封动环(72)的轴向配合面上设有大气侧机械密封动环O型密封圈(73)，在大气侧机械密封动环座(71)与大气侧机械密封动环(72)间设有防转机构,以防止大气侧机械密封动环(72)相对大气侧机械密封动环座(71)转动，大气侧机械密封动环座(71)与轴套(1)右端开设的外止口台配合固定安装，在大气侧机械密封动环座(71)与轴套1的配合面间设有大气侧机械密封动环座O型密封圈(17)；
在大气侧机械密的静环座(61)的左端面上圆周均匀分布开设有若干补偿弹簧(8)安装孔(81)，在平衡套(5)上开设有外圆盘(53)，补偿弹簧(8)安装在静环座(61)上开设的补偿弹簧安装孔(81)中并与平衡套(5)上开设的外圆盘(53)侧端面配合，补偿弹簧(8)轴向推力作用平衡套(5)，使平衡套(5)的左端面(5a)与介质侧机械密封静环(4)的右端面接触，通过平衡套(5)传递补偿弹簧(8)的推力作用介质侧机械密封静环(4)与介质侧机械密封动环(32)端面贴合，在平衡套(5)的左端与介质侧机械密封静环(4)的右端间设有介质侧机械密封静环(4)防转机构，或者是在压盖(2)与介质侧机械密封静环(4)间设置防转机构，以防止介质侧机械密封静环(4)转动。
2.根据要利要求1所述的变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封，其特征是：
在介质侧机械密封的介质侧机械密封动环座(31)与轴套(1)间设有介质侧机械密封动环座防转销(33)；
在大气侧机械密封的大气侧机械密封动环座(71)与大气侧机械密封动环(72)间设有大气侧机械密封动环座防转销(75)；
在平衡套(5)的左端与介质侧机械密封静环(4)的右端间设有介质侧机械密封静环防转销(45)。
3.根据要利要求1所述的变平衡直径、弹簧全防护型双端面机械密封，其特征是：
所述的在压盖(2)与平衡套(5)间设有的平衡套(5)防转机构和在大气侧机械密封静环座(61)与平衡套(5)间设有的防转机构，或是在大气侧机械密封静环座(61)与压盖(2)间设有的防转机构是在大气侧机械密封静环座(61)左侧端面上开设的大气侧机械密封静环座防转销孔(64)，在平衡套(5)外圆盘(53)上对应开设的平衡套防转销孔(54)，固定在压盖(2)上的平衡套防转销(23)构成，平衡套防转销(23)穿置在大气侧机械密封静环座(61)上开设的大气侧机械密封静环座防转销孔(64)和平衡套(5)外圆盘(53)上开设的平衡套防转销孔(54)中，对平衡套(5)和大气侧机械密封静环座(61)进行防转。
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