CN111536242A - 一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机主轴动密封 - Google Patents

一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机主轴动密封 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，主要由磁流体密封、气压密封和迷宫密封三道密封组成，其中，磁流体密封设置在靠机室侧，气压密封设置在靠轴承腔侧，迷宫密封设置在磁流体密封和气压密封之间；磁流体密封具有零泄漏特点，但容易被油雾污染而影响密封性能，且耐压能力较低；而气压密封能够有效密封油雾，但会冲入较多压缩气体，增加磁流体密封处气体压力；而在磁流体密封和气压密封之间加设多道迷宫密封能有效缓解磁流体密封处的压力，三道密封组合能有效互补，能够实现油雾和空气的完全密封，且该三道密封均属于非接触密封，使用寿命长。

Description

一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机主轴动密封
技术领域
本发明涉及一种离心机主轴动密封，特别是涉及一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机主轴动密封。
背景技术
在岩土工程领域，土工离心模型试验是将缩比土工模型(各方向尺寸均为原形土体的1/n)置于高速旋转的土工离心机中，利用n倍于重力加速度(又称ng)的离心力场作用，再现原形土体的应力状态(相关资料参见:贾普照.稳态加速度模拟实验设备—离心机概论及设计[M].北京：国防工业出版社,2013)。近年来，土工离心机的规模越来越大，能实现的离心加速度也越来越高，大规模、高加速度的离心机被称为大型高速土工离心机。大型高速土工离心机在高g值下运行时，会因空气对高速旋转件的阻力而消耗大量的能量，为减小能量消耗，这时可对离心机机室抽真空，以降低离心机的驱动功率。
为实现对离心机机室抽真空，在对离心机机室各处进行静密封设计的基础上，还需要对支承离心机旋转件的主轴进行动密封设计，以防止主轴轴承箱内的空气和润滑油油雾在机室真空下被抽进机室。而主轴动密封设计的难点在于：主轴直径过大，往往超过500mm；密封处最大线速度高，往往超过20m/s，这使得许多密封方式无法使用；由于支承的旋转件质量太大，不允许密封件频繁更换，因此对密封件的寿命要求很高；既要实现短时间运行下的真空动密封，在常压下还需要实现油封功能；土工离心机属试验设备，需要频繁起停。由于上述难点的存在，限制了传统密封产品的使用，否则会出现密封效果不好或者工作寿命很短的情况。
公开号为CN109261378A的发明申请公开了一种大型高速土工离心机主轴动密封结构，该动密封采用迷宫密封、一道螺旋密封和一道填料密封结构组成；其中，迷宫密封和螺旋密封适用于常压环境，填料密封适用于真空环境，尽管能实现一定的动密封效果，但仍存在如下不足之处：1)：该动密封的填料密封只在真空工况下使用，在常压工况时该动密封不能实现完全密封，不能完全阻隔润滑油油雾进入机室内；2)：此填料密封为接触密封，虽采取切换方式以使其只在真空工况使用，但仍存在磨损，不能完全解决该动密封的寿命较短的技术问题。
发明内容
为解决现有技术中大型高速土工离心机的主轴动密封结构不能完全阻隔润滑油油雾进入机室内以及使用寿命较短的技术问题，本发明提供一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机主轴动密封，能够完全密封住润滑油油雾和空气，同时具备较长的使用寿命。
为实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案：
大型高速土工离心机的主轴动密封结构绕设在主轴上，并将所在内部空间隔分为轴承腔侧和机室侧，轴承腔侧为常压，轴承在润滑油中工作，机室侧可根据需要抽真空，主轴动密封结构主要由磁流体密封、气压密封和迷宫密封这三道密封组成。磁流体密封设置在靠机室侧，气压密封设置在靠轴承腔侧，迷宫密封设置在磁流体密封、气压密封之间。
磁流体密封由内套、压板、壳体、极靴、磁铁、螺钉等组成，其中，壳体通过螺钉安装在底座上，在壳体上方内侧设置压板，壳体下方对应位置设有翻边，通过螺钉依次将第一极靴、永磁铁、第二极靴夹紧在壳体翻边和压板之间。
永磁铁为磁流体密封提供磁场，可为环形磁铁，亦可为若干个圆形磁铁组合而成；第一极靴和第二极靴均为环状结构。
内套通过胀套安装在主轴上；胀套通过螺钉锁紧。
在内套和极靴之间为磁流体密封间隙，可在内套或极靴上加工若干齿槽；在密封间隙里加有磁性流体，磁性流体被永磁铁产生磁场所吸附，使磁性流体填满间隙以阻止介质穿过。
在壳体中设置有冷却水通道，通入冷却水来降温。
气压密封由挡油环、底座、供气管路和抽气管路组成。气压密封的密封间隙位于底座和挡油环之间，底座为静止件，挡油环随主轴一起旋转。
底座设有从外侧至间隙的通孔，以用于供气管路将压缩空气通入，底座在密封间隙处设置有环槽，以使压缩空气在周向均匀地流动，从而阻止油雾向上流动；同时，压缩空气也会流入磁流体密封下方，为避免增大磁流体密封的难度，在底座设有从外侧至磁流体密封下方腔体的通孔，以用于抽气管路将空气抽出。
供气管路由空压机、过滤器、减压阀、单向阀组成，使空气压力可调且单向流动；抽气管路由真空泵、单向阀组成，使空气抽出且单向流动。
迷宫密封设置在气压密封和磁流体密封之间，起到减压作用。在挡油环与底座之间、内套与底座之间分别设置多道迷宫密封，具体为在挡油环与底座之间的轴向设置若干对应的凹槽，在内套与底座之间的周向设置若干对应的凹槽。
为避免介质从其他间隙泄漏，在相对静止件之间均设有静密封条。如壳体与底座之间设置一道静密封条。
本发明与现有技术相比，有益效果包括以下方面：
1、主轴动密封具备良好的密封性能，主轴动密封由磁流体密封、气压密封和迷宫密封组成，磁流体密封具有零泄漏特点，气压密封能确保油雾不污染磁流体，迷宫密封能减小磁流体迷宫密封处压力。
2、主轴动密封所采用的三道密封均为非接触密封，没有磨损，能够显著延长使用寿命。
3、适应性强，磁流体密封、气压密封和迷宫密封三道密封组合结构能完全适用于离心机真空工况以及常压工况下的密封使用。
4、由于气压密封和迷宫密封的作用，使磁流体密封两侧压差很小，大大降低了磁流体动密封的设计难度，需要磁流体动密封极靴及极齿的数量少，有效降低了密封装置的轴向尺寸。
附图说明
图1为离心机主轴动密封结构的简示图。
图2为离心机主轴动密封结构的局部详图。
图中，1-磁流体密封，2-气压密封，3-迷宫密封，4-主轴，5-胀套，6-内套、7-压板，8-螺钉，9-壳体，10-第一极靴，11-永磁铁，12-第二极靴，13-抽气管路，14-供气管路，15-底座，16-挡油环，17-静密封条
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如说明书附图1所示，一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，主要由磁流体密封1、气压密封2和迷宫密封3这三道密封组成。其中，磁流体密封1设置在靠机室侧，气压密封2设置在靠轴承腔侧，迷宫密封3设置在磁流体密封1、气压密封2之间。
磁流体密封1由内套6、压板7、壳体9、第一极靴10、第二极靴12、永磁铁11和若干螺钉8等组成，其中，壳体9通过螺钉8安装在底座15上，在壳体上方内侧设置压板7，壳体下方与压板位置对应处设有翻边，通过螺钉8依次将第一极靴10、永磁铁11、第二极靴12夹紧在壳体翻边和压板之间。
永磁铁11为磁流体密封提供磁场，为环形磁铁；第一极靴10和第二极靴12均为环状结构。
内套6通过胀套5安装在主轴上；胀套5通过螺钉8锁紧。
在内套6和极靴之间为磁流体密封间隙，可在内套或极靴上加工若干齿槽；在密封间隙里加有磁性流体，磁性流体被永磁铁产生磁场所吸附，使磁性流体填满间隙以阻止介质穿过。
气压密封2由挡油环16、底座15、供气管路14和抽气管路13组成。气压密封2的密封间隙位于底座15和挡油环16之间，底座15为静止件，挡油环16随主轴4一起旋转。
底座15设有从外侧至间隙的通孔，以用于供气管路14将压缩空气通入，底座15在密封间隙处设置有环槽，以使压缩空气在周向均匀地流动，从而阻止油雾向上流动；同时，压缩空气也会流入磁流体密封下方，为避免增大磁流体密封的难度，在底座设有从外侧至磁流体密封下方腔体的通孔，以用于抽气管路13将空气抽出。
供气管路由空压机、过滤器、减压阀、单向阀组成，使空气压力可调且单向流动；抽气管路由真空泵、单向阀组成，使空气抽出且单向流动。
迷宫密封3设置在气压密封2和磁流体密封1之间，起到减压作用。在挡油环16与底座15之间、内套6与底座15之间分别设置多道迷宫密封，具体为在挡油环16与底座15之间的轴向设置若干对应的凹槽，在内套6与底座15之间的轴向设置若干对应的凹槽。
为避免介质从其他间隙泄漏，在相对静止件之间均设有静密封条。
工作时，三道密封组合相辅相成，环环相扣才能起到良好的密封效果。磁流体密封能完全密封气体，但不能密封油雾，且密封气体的压力不高。气压密封能够阻隔油雾但会增加磁流体密封一端的密封压力。迷宫密封能够起到减压作用，前提是密封处是气体流通的通道。所以需设置抽气管路，否则起不到效果。
主轴动密封在真空和常压两种工况下工作时略有不同。真空工况下，机室侧为负压，为减小密封侧的压力，且让迷宫密封起作用，需使抽气管路的真空泵工作。常压工况下，机室侧为常压，抽气管路的真空泵则须关闭，抽气管路与大气连通即可。此时气压密封的压缩气体通过迷宫密封减压，再从抽气管路流出，使得迷宫密封两侧压差很小。
实施例2
本实施例与实施例2的区别在于：永磁铁11为若干个圆形磁铁组合而成，为磁流体密封提供磁场。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：本实施中还在壳体9中设置有冷却通道，通入冷却水来降温，以防止温度过高导致磁性流体的蒸发，影响密封效果。
大型高速土工离心机的主轴动密封结构的防油雾、长寿命效果主要体现在：
磁流体密封具有零泄漏特点，但容易被油雾污染而影响密封性能，且耐压能力较低；而气压密封能够有效密封油雾，但会冲入较多压缩气体，增加磁流体密封处气体压力；而在磁流体密封和气压密封之间加设多道迷宫密封能有效缓解磁流体密封处的压力。因此，三道密封组合能有效互补，能够实现油雾和空气的完全密封。
磁流体密封、气压密封和迷宫密封这三道密封均属于非接触密封，不存在磨损，使用寿命长。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，环绕主轴(4)设置，其特征在于：主要由磁流体密封(1)、气压密封(2)和迷宫密封(3)三道密封组成，其中，磁流体密封(1)设置在靠机室侧，气压密封(2)设置在靠轴承腔侧，迷宫密封(3)设置在磁流体密封(1)和气压密封(2)之间；
磁流体密封(1)包括内套(6)、压板(7)、壳体(9)、第一极靴(10)、第二极靴(12)、永磁铁(11)和螺钉(8)，在壳体(9)上方内侧设置有压板(7)，壳体(9)下方与压板位置对应处设有翻边，通过螺钉(8)将第一极靴(10)、永磁铁(11)和第二极靴(12)夹设在壳体翻边和压板之间；内套(6)和极靴之间为磁流体密封间隙，在密封间隙里加有磁性流体；
气压密封(2)由挡油环(16)、底座(15)、供气管路(14)和抽气管路(13)组成，气压密封(2)的密封间隙位于底座(15)和挡油环(16)之间，底座(15)为静止件，挡油环(16)随主轴(4)一起旋转；
多道迷宫密封(3)设置在挡油环(16)、底座(15)和内套(6)之间。
2.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：永磁铁(11)为环形磁铁或多个圆形磁铁组合而成，第一极靴(10)和第二极靴(12)均为环状结构。
3.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：壳体(9)中设置有冷却通道，通入冷却水来降温。
4.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：内套(6)通过胀套(5)安装在主轴(4)上；胀套(5)通过螺钉(8)锁紧。
5.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：供气管路(14)由空压机、过滤器、减压阀、单向阀组成，使空气压力可调且单向流动。
6.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：抽气管路(13)由真空泵、单向阀组成，使空气抽出且单向流动。
7.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：底座(15)上设有从外侧至密封间隙的通孔，用于供气管路(14)将压缩空气通入，底座设有从外侧至磁流体密封下方腔体的通孔，以用于抽气管路13将空气抽出。
8.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：底座(15)在密封间隙处设置有环槽。
9.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：在挡油环(16)与底座(15)之间的轴向设置若干对应的凹槽，在内套(6)与底座(15)之间的轴向设置若干对应的凹槽。
10.根据权利要求1所述的一种防油雾、长寿命的大型高速土工离心机的主轴动密封，其特征在于：壳体(9)与底座(15)之间设置有静密封条。
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