CN1114018A - 静压平衡组合式高压旋转轴油封 - Google Patents

Abstract

“静压平衡组合式高压旋转轴油封”，为一种采用 了组合式结构以实现油封体的静压平衡以及良好的 偏心追随性的新型旋转轴用油封。其特点是：密封体 同密封圈主体为分离式结构，密封体在径向所受流体 静压力可完全平衡，且可与径向补偿环一起随转动轴 的偏心摆动而摆动或径向移动。对于高速用密封，其 密封唇口为一个椭圆环面以利于润滑及冷却密封接 触面。本发明具有加工简单、工作压力及转速高、偏 心追随性及抗振动性好、密封性强、寿命长等优点。

Description

本发明是一种关于旋转轴油封、特别是一种采用了组合式结构以实现油封体的静压平衡以及良好的偏心追随性的新型旋转轴用油封。

旋转轴油封（当然也可以用于密封除矿物油以外的其它适当流体），是现代工业许多机械设备及装置中所不可缺少的重要零部件。其主要使用场所包括各种变速装置，发动机，空气压缩机，电动机，油泵及油马达，机床，冶金设备，矿山设备，化工设备，食品及制药设备，汽车，摩托车，轮船，飞机及各种建筑机械等。虽然油封在整个设备中所占成本很小，但其性能的好坏却直接影响到整机的性能与寿命。在对保护环境、控制泄漏与污染要求日益严格的今天，提高油封的密封性能与可靠性已是一个可不容缓的迫切问题。

现有的各种旋转轴油封，一般都采用橡胶或其它工程塑料作为密封体（或称油封体），直接与旋转轴表面产生接触进行密封。从结构上看，可大致分为两类，一类为有骨架式结构，另一类为无骨架式结构。前者的骨架多用金属制成，与软材料制成的弹性密封体烧制成一体或压制成一体。与无骨架式相比，有骨架的油封可用于较高的压力。进一步分类，又有单唇口及多唇口等不同的结构设计。此外还有一些组合式结构的油封及采用耐磨材料制造密封体的特殊油封。但无论哪种结构，目前都存在着至少下述两个问题：

（1），密封体本身在径向所受流体压力不能平衡，当油封的工作压力升高时，密封唇口（有时也被称为油封刃口）便与旋转轴之间产生很高的接触应力，使得热量剧增，磨损加剧，然后迅速导致油封失效及破坏;

（2），由于密封唇口、密封体及骨架等为整体式结构或者说密封唇口相对于轴表面的径向位移的自由度很小，当旋转轴的转动偏心量或振动较大时，圆环形的密封唇口很难保证有效地、始终均匀地紧抱在轴表面上，从而导致油封的局部泄漏及加剧密封体腰部部分的疲劳应力及破坏。在使用滑动轴承支承传动轴且载荷变化较大的场合，这种现象尤其严重。

为了解决上述问题，虽然各国有关厂家及研究单位作了大量的研究开发工作并设计出了一些特殊的结构，但令人遗憾的是，迄今仍未见到一种能真正令人满意的油封产品。实际情况是，现有油封一般只能使用在压力很低的场合（如不高于一个大气压）。有些采用了特殊材料及组合结构的油封虽然可以使用在压力较高的场合如五个大气压或更高压力，但因为仍然未能解决压力平衡及偏心追随性能的问题，在高压及振动较大的使用条件下，摩擦及发热的现象严重，容易出现泄漏，工作寿命很短。

针对这一现状，本发明的目的旨在提供一种能解决上述全部问题的新型静压平衡组合式旋转轴油封。这种油封的特点在于：不仅密封体所受径向流体静压力全部或基本平衡，而且密封唇口及密封体能在相当大的一个偏心范围内始终对旋转轴表面保持良好的追随性及密封性。

发明的意图是这样实现的：油封为组合式结构设计，主要由径向定位环（1），轴向承压板（2），径向补偿环（3），密封体（4），“O”型密封圈（5）等零件组成。径向定位环（1）与轴向承压板（2）压装在一起（两者也可加工成一个整体）。密封唇口开设在密封体（4）的内圆面上，密封体的外圆环面装入径向补偿环（3）的内圆环面，两者不能沿压降方向相对轴向运动但可一起作径向运动，径向补偿环（3）的底部支承在轴向承压板（2）的密封平面上。为了保证密封体在径向所受的流体静压力平衡或基本平衡及不会从其非密封面产生泄漏，在密封体与径向补偿环的配合面之间，安设了一个“O”型密封圈（5），该密封圈还可使密封体产生对轴表面的预紧及对磨损进行补偿。在径向定位环（1）的内圆面与径向补偿环（3）的外圆面之间，设有足够的径向间隙，以保证密封体及径向补偿环一起在径向的自由移动。

为了使密封唇口及径向补偿环的底部分别与轴表面及轴向承压板密封面之间产生良好的预接触，可在径向补偿环（3）的外斜面与径向定位环（1）的内斜面之间，安设了一个“O”型弹型圈（2），如附图二所示。当然也可在径向补偿环的头部加工出一个薄壁弹性环，同时产生轴向及径向初始接触力，如附图四所示。

上述全部零件装配成一个整体，其外形尺寸可以设计成与现有油封的相同或基本性同。装配使用时，只需将油封压入油封安装孔内，用一孔用卡圈挡住轴向承压板即可。

由于作用在封油体内圆环面及外圆环面上的流体静压力完全平衡或基本平衡（视具体设计而定），从理论上说，无论被密封流体压力有多高，作用在密封唇口与轴表面上的接触应力都不会有明显改变，从而保证油封的工作压力基本上只受制于密封唇口与轴表面的边界润滑流体膜的剪断强度。

另一方面，因为密封体与径向补偿环在径向为无间隙式配合，即径向补偿环与密封体可以一起相对于轴向承压板（或者说相对于孔的轴线）作足够大的径向位移，所以，当轴表面产生偏心运动或摆动时，由密封唇口（或加上辅助唇口）与轴表面之间的偏心接触力便会带动密封体与径向补偿板一起相对于轴向承压板（亦即相对于安装孔及轴的静态轴心线）作径向摆动，从而控制作用在密封唇口上的附加应力不会太大及消除其他不良影响。进而言之，在本发明中，有两个动密封面：一是密封唇口与轴表面的高速圆环型动密封面;二是径向补偿环底部与轴向承压板之间的低速平面密封面。为了保持后者的摩擦力或摩擦力矩为一个大小适当的值，可在两平面之间开设数条环型静压平衡油槽及采用低摩擦系数的材料组成摩擦平面。对于流体粘度较低的流体，可在所论两平面之间安设一个软材料制成的辅助密封圈。

为了减少油封在高速工作时密封唇口与轴表面接触处的温升及磨损，可采用如下方法：在使密封体保持静压静压平衡的前提下，将密封唇口环形面做成一个相对于轴表面倾斜的椭圆环面。换言之，该椭圆环面的轴线与轴的中心线有一个夹角。这样，当轴转动时，密封唇口与轴表面的接触部分总是不停地发生变化即始终有被密封流体进入密封唇口与轴表面的环带接触区域内，润滑及冷却该表面，降低温升及磨损，延长油封及轴表面的使用寿命。

与传统的各种油封相比，依据本发明所提出的油封具有零件加工简单，不需采用高温成型工序等而使加工成本有所降低，密封体所受静压力平衡或基本平衡，摩擦及发热小，对轴的偏心追随性能及抗振动性能好，密封性强，工作压力高，寿命长，安装维修方便等一系列优点。

依据本发明提出的油封实施例由附图一-附图四给出。

附图一为分离式密封体所受径向流体静压力平衡的示意图。

附图二为一种单密封唇口结构的静压平衡组合式高压油封的断面图;

附图三为带有辅助密封唇口的静压平衡组合式高压油封结构图;

附图四表示一种密封唇口为椭园环形面的静压平衡组合式高压油封。

下面，结合附图一-附图四，详细说明依据本发明提出的新型油封的工作原理及特点等。

首先，说明作用在密封体上的静压力如何平衡。为简单起见，将实际问题简化成平面问题，如图一所示。设被密封流体的压力为“pd”，压力流体对密封体的径向作用长度为“L”，将作用在密封体的外圆面及内圆面上的流体压力分别表示在图中“X”轴的上半部分及下半部分。由图可知，只要密封唇口的位置设计恰当，便可使作用在密封体上的流体径向合力完全平衡。图中“X”轴上部压力分布线的非直线部分，表示由于“O”型圈受压而产生的附加接触力。从理论上说，无论被密封流体的压力有多高，只要密封唇口和“O”型圈的位置以及“O”型圈的压缩量等设计适当，均可保证作用在密封体径向的静压力平衡，即密封唇口对轴表面“S”的应力不会随密封流体压力的增高而增加。

图二为一种单唇口静压平衡油封的具体结构，油封由径向定位环（1），轴向承压板（2），径向补偿环（3），密封体（4），“O”型密封圈（5），“O”型弹性圈（6）组成。“O”型弹性圈的作用使保证密封体对轴表面及径向补偿环对轴向承压板密封面的初始接触。如果轴表面的偏心摆动量较大，则密封体及径向承压环将同时随着轴的摆动，相对于轴向承压板的密封面作相应的摆动，而不会出现密封唇口脱离轴表面的情况。为减少径向补偿环底面与轴向承压板密封面之间的摩擦，可以在径向补偿环的底面开设数条环形槽（Cg），并将被密封流体导入某一条环形槽中，但同时又不使流体通过该密封面泄漏。

图三表示在径向补偿环的内圆面上开设了数条辅助唇口的静压平衡式油封结构。油封仍由径向定位环（1），轴向承压板（2），径向补偿环（3），密封体（4），“O”型密封圈（5），“O”型弹性圈（6）组成。与前述实施例不同的是：在本实施例中，径向补偿环的内圆环面直径与密封唇口的直径几乎相等，并在其上开设了数条环形槽或螺旋槽，构成数条辅助唇口。这种结构尤其适应于轴表面偏摆较大的场合。

图四表示密封唇口为一个椭园环面的静压平衡组合式油封，这种油封尤其适应于高转速。油封由径向定位环（1），轴向承压板（2），径向补偿环（3），密封体（4），“O”型密封圈（5）组成。为了实现在没有外部强制冷却的条件下，仍能大大改善密封面的发热情况，将密封唇口的圆环面做成一个椭园环面，该椭园环面的轴线相对于轴线偏移了一个角度“A”。这意味着，当轴表面相对于油封转动时，密封唇口与轴表面的接触部位总是周期性地发生变化，从而可不停地对接触表面进行交替性润滑及冷却。

采用本发明的另一个好处在于：因为轴表面只同密封体的密封唇口进行对磨，故可在油封使用到设计时间后，只更换密封体而继续使用其他零件，以便进一步降低运行成本。

顺便指出，根据本发明提出的基本原理，还可制造出其他变形或派生产品如多唇口式轴封等。本发明提出的将密封体与密封圈主体进行分离、使其所受流体压力平衡的原理，同样适用于制造静压平衡式滑动密封圈等。

附图中图号说明：

（1）：径向定位环;（2）：轴向承压板;（3）：径向补偿环;（4）：密封体;（5）：“O”型密封圈;（6）：“O”型弹性圈。

Claims (6)

1. “静压平衡组合式高压旋转轴油封”，为一种采用了组合式结构以实现油封体的静压平衡以及良好的偏心追随性的新型旋转轴用油封。油封主要由径向定位环(1)，轴向承压板(2)，径向补偿环(3)，密封体(4)，“0”型密封圈(5)等零件组成，其权利要求如下：

   1、密封体为一个分离式零件，可与径向定位环一起随轴表面的偏心摆动而摆动或径向移动。
2. 2、根据权利要求“1”所述的油封，其特征是作用在密封体径向的流体静压力可完全平衡。
3. 3、在密封体的外圆面与径向补偿环的内圆面之间，安设了一个“O”型密封圈。
4. 4、在径向定位环（1）的内圆面与径向补偿环（3）的外圆面之间，设有足够的径向间隙，以满足密封体及径向补偿环在径向的移动。
5. 5、油封工作时，共有两个动密封面：一个是密封唇口与轴表面的高速密封面，一个是径向定位环底部与轴向承压板之间的低速摆动密封面。
6. 6、对于高速油封，密封唇口为一个椭圆环形面，其轴线相对于转动轴轴线有一个夹角“A”。

Images