CN112963540A - 一种设置支撑唇口的旋转密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转密封结构，所述旋转密封结构用于在安装体与旋转轴之间建立密封关系；所述旋转密封结构包括：环体结构的支撑体、密封唇口；所述密封结构还包括支撑唇口，支撑唇口设置的密封唇口液体侧的外端面。在所述密封唇口支撑唇口组合被压紧安装到所述支撑体上内表面的环形槽内，在压紧力下，所述密封唇口支撑唇口组合发生同向喇叭口变形与转轴紧密贴合。本发明通过设置支撑唇口，增加支撑唇口以后，提升了密封唇口抗压抗翻转能力，极限抗压能力提升43%。

Description

一种设置支撑唇口的旋转密封结构

技术领域

本发明属于旋转密封技术领域，具体涉及一种旋转密封结构，其广泛应用于各种机械结构中与轴有相对旋转运动的液体和气体密封。

背景技术

旋转密封结构是机械零部件中的常用件，在各类运转机械结构中被广泛运用。随着机械结构的现代设计水平和制造技术的进步，各类机械结构的功能逐渐增多，体积逐渐减小，对其中旋转密封件的要求也逐步提高。旋转密封件的安装空间被大幅压缩，对旋转密封件的使用寿命、工作温度等要求却相对提高。在很多场合还需要旋转密封件在小安装尺寸下实现双向密封，一侧密封液体，一侧密封气体。机械结构的发展进步急需尺寸小，密封性能高的创新性旋转密封结构诞生。

传统的旋转密封结构，通常为橡胶密封唇口，配合以普通弹簧装置提供预紧力，使橡胶密封唇口紧紧贴合到旋转轴上，形成密封面，实现旋转密封功能，这种橡胶旋转密封结构主要有以下不足：①在小安装尺寸下很难实现双向密封，例如一侧密封润滑油，一侧密封压力气体。由于橡胶密封唇口的结构限制，传统橡胶旋转密封通常是单向的。要想实现双向密封，必须再增加一个橡胶密封唇口反向布置，从而使密封件的安装空间需求增大许多，在空间小又要求双向旋转密封的场合，传统橡胶旋转密封件很难使用。②使用寿命短。传统橡胶旋转密封由弹簧提供预紧力，使橡胶密封唇口和旋转轴紧密接触，旋转轴通常为金属材料制成，由于橡胶材料和金属材料之间的摩擦力较大，在轴的旋转过程中，橡胶密封唇口随之产生较大磨损，影响旋转密封件的使用寿命。③工作温度范围窄。由于橡胶材料的耐高低温性能不佳，且耐高低温性能不能兼顾，在温度变化范围宽的使用场合，传统橡胶密封件难以胜任。④传统橡胶密封件对润滑的要求高。由于旋转密封过程中橡胶材料和金属材料产生摩擦，在密封面必须有润滑剂进行润滑，否则橡胶密封唇口会很快磨损或产生高温，使其失去密封功能。因此传统橡胶密封件对润滑剂的依赖很高。

CN105626870A提供了一种新的双向密封的旋转密封结构，参见图1，所述旋转密封结构用于在安装体(7)与旋转轴(6)之间建立密封关系；所述旋转密封结构包括：环体结构的支撑体(1)、第一密封唇口(2)、第二密封唇口(3)、回弹装置(4)、O形圈(5)；

所述支撑体(1)的环体外表面开有第一环形槽，所述O形圈(5)安装在第一环形槽内；

所述支撑体(1)的环体外表面与安装体(7)的内表面安装在一起，它们之间设置为无相对转动，通过所述O形圈(5)实现静密封；

所述回弹装置(4)、第一密封唇口(2)、第二密封唇口(3)设置为具备弹性特性的圆环结构；所述支撑体(1)的环体内表面开有第二环形槽，所述回弹装置(4)、第一密封唇口(2)、第二密封唇口(3)各自的外侧端均压紧安装至所述第二环形槽内；在适度的压紧力下，所述回弹装置(4)、所述第一密封唇口(2)、所述第二密封唇口(3)和所述支撑体(1)之间的连接是密封的；气体或液体不能通过它们之间的连接部分；

所述回弹装置(4)、第一密封唇口(2)、第二密封唇口(3)的圆环结构内侧端穿入旋转轴(6)，从而与旋转轴(6)完成装配，所述第一密封唇口(2)和第二密封唇口(3)内侧端发生变形与所述旋转轴(6)紧紧贴合；所述回弹装置(4)设置于第一密封唇口(2)上，也发生变形，产生回弹力，使所述第一密封唇口(2)与旋转轴(6)更加紧密贴合，从而形成旋转动密封面，实现旋转动密封，一侧密封液体，一侧密封气体；

所述旋转密封结构形成了从所述安装体(7)到旋转轴(6)之间的完整密封；由于所述旋转密封结构的存在，气体或液体不能通过所述安装体(7)和旋转轴(6)之间的间隙运动到另一侧去，实现了旋转动密封功能。

CN105626870A能够取得：安装尺寸小，使用寿命长，适用温度范围宽，对润滑条件要求低的优点。

但是在实际应用中发现还存在安装不一致导致产品质量稳定性的问题，因此本研发团队对旋转密封结构进行了进一步的研发和改进，以克服现有技术的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的密封结构，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种环形槽旋转密封结构，所述旋转密封结构用于在安装体与旋转轴之间建立密封关系；所述旋转密封结构包括：环体结构的支撑体、密封唇口；所述支撑体的环体外表面与安装体的内表面安装在一起，它们之间设置为无相对转动；所述密封唇口设置为具备弹性特性的圆环结构；所述支撑体的环体内表面开有环形槽，所述密封唇口外侧端均压紧安装至所述环形槽内；

所述密封唇口的圆环结构内侧端穿入旋转轴，从而与旋转轴完成装配，所述内侧端发生变形与所述旋转轴紧紧，从而形成旋转动密封面，实现旋转动密封，一侧密封液体，一侧密封气体；安装后的密封唇口是弯曲结构，

其特征在于，所述密封结构还包括支撑唇口，支撑唇口设置的密封唇口液体侧的外端面。在所述密封唇口支撑唇口组合被压紧安装到所述支撑体上内表面的环形槽内，在压紧力下，所述密封唇口支撑唇口组合发生同向喇叭口变形与转轴紧密贴合。

作为优选，所述内端朝向气体侧方向弯曲延伸。

作为优选，所述支撑唇口的外端与密封唇口的外端对齐，支撑唇口的内端距离密封唇口一定距离。

作为优选，支撑唇口长度是密封唇口长度的65%～75%。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）本发明通过设置支撑唇口，增加支撑唇口以后，提升了密封唇口抗压抗翻转能力，极限抗压能力提升43%。

2）本发明根据带压介质的压力设计O型密封橡胶圈的尺寸实现由O型密封橡胶圈预紧，带压密封介质动态平衡的高压旋转密封功能。此密封装置可以实现高压密封介质状态下更合理的唇口结构，更小的密封面更低的摩擦和能耗。此密封装置可以背对背成对使用实现高压液体双向密封。与传统PTFE唇口密封不同，带压密封介质在唇口背侧。它更适合在要求高压（如30bar以上），上泄露量更小（小于1ml/h）的工况实现带压液体密封。

3）本发明通过设置螺纹的内外支撑体结构可以更精准的控制密封唇口的压缩量实现密封数据的可控性，同时可以实现不完全拆卸状态下的密封结构更换，解决CN105626870A中因产品扣压成型过程中密封唇口失效导致密封装置整体更换问题。

4）本发明通过在密封唇口密封面设置开有若干道同心楔形槽，在密封低压液体介质工况下，根据泵吸机理此结构可以持续把从密封面泄露的液体泵吸回液体侧，降低泄露量，同时减小密封面与旋转轴有效接触面，减小摩擦从而延长密封装置使用寿命。

5）本发明提供一种新式结构密封结构，通过密封唇口的横截面积不断减小，由此保证密封唇口与转轴之间的抱轴力实现不同转速、压力下的密封功能。

6）本发明通过分隔一定距离的在两个密封唇口处形成旋转动密封面，可以实现一侧密封润滑油，一侧防尘功能。

附图说明

图1是本发明的现有技术的密封结构示意图。

图2是本发明的改进的密封结构第一实施例示意图。

图3是本发明的改进的密封结构第二实施例示意图。

图4是本发明的改进的密封结构第三实施例示意图。

图5是本发明的改进的密封结构第四实施例示意图。

图6是本发明的改进的密封结构第五实施例示意图。

图7是本发明的改进的密封结构第六实施例示意图。

图8是本发明的改进的密封结构第七实施例示意图。

图中：1.支撑体；2.第一密封唇口；3.第二密封唇口；4.回弹装置；5.O密封橡胶圈；6.旋转轴；7.安装体，8.密封唇口，9.支撑唇口，10.密封唇口垫片，11.外支撑体，12.内支撑体，13.防尘唇口，14.楔形泵吸结构15.挡圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图2所示，一种旋转密封结构，所述旋转密封结构用于在安装体7与旋转轴6之间建立密封关系；所述旋转密封结构包括：环体结构的支撑体1、密封唇口8；

所述支撑体的环体外表面与安装体的内表面安装在一起，它们之间设置为无相对转动；

所述密封唇口8设置为具备弹性特性的圆环结构；所述支撑体1的环体内表面开有环形槽，所述密封唇口8外侧端均压紧安装至所述环形槽内；在适度的压紧力下，所述密封唇口8和所述支撑体之间的连接是密封的；气体或液体不能通过它们之间的连接部分；

所述密封唇口8的圆环结构内侧端穿入旋转轴6，从而与旋转轴6完成装配，所述8内侧端发生变形与所述旋转轴抱紧，从而形成旋转动密封面，实现旋转动密封，密封液体或密封气体；

所述旋转密封结构形成了从所述安装体7到旋转轴6之间的完整密封；由于所述旋转密封结构的存在，气体或液体不能通过所述安装体7和旋转轴6之间的间隙运动到另一侧去，实现了旋转动密封功能。

作为一个改进，所述密封唇口8如图2所示，是变截面结构，从外端向内端，所述的横截面面积逐渐减小。通过密封唇口8的横截面积不断减小，由此保证密封唇口1与旋转轴之间的抱轴力实现不同转速、压力下的密封功能。该结构以其唇口变截面、渐变厚度物理结构，会保证唇口的抱轴预载力和避免唇口翘曲的密封抱轴接触面积。而且通过设置单侧的密封唇口，与图1的现有技术相比，更加节省材料和成本，制造方便，而且实现更好的密封效果。

密封面带带压旋转工况下若无相应支撑会卷翘密封面脱离旋转轴密封带压介质可以增强密封效果，但是一旦超过PTFE塑性变形和膨胀系数平衡点，一方面增加密封面的摩擦损耗，另一方面引起密封面的卷翘引起密封失效。通过变截面可以简化传统的在密封片后面为防止密封面卷翘安装的硬性支撑，实现不同压力下最佳密封状态。

通过实验发现，采取变截面的结构，与采取非变截面的结构，经与非变截面积相比，抱轴预载力增加25%，抱轴接触面积增加38%。例如相同转速下25bar左右压力和传统橡胶密封10bar左右下的密封性能相当。

作为优选，安装后的密封唇口8是弯曲结构，所述内端朝向密封介质侧方向弯曲延伸。通过如此设置，保证密封介质侧的密封唇口8密封面积增加，从而进一步实现气液密封作用。

作为优选，从外端向内端的方向，所述的横截面面积逐渐减小的幅度不断增加。通过设置横截面积不断较小的幅度不断增加，可以进一步满足更好的密封，能够提高5%的密封效果。

作为优选，所述横截面积按照如下规律进行变化：

所述液体侧的外端面（密封面）是圆弧结构，圆弧结构上的点成为液侧点，液侧点与圆心的连线在气体侧曲线的连点成为气侧点，液侧点和气侧点之间的连线距离成为宽度，则宽度变化规律如下：

圆弧结构的长度为L，圆弧结构最外端（最上端）的宽度是K_外，则沿着圆弧结构向内弯曲的方向，距离圆弧最外端弧长距离为l位置的宽度K规律如下：K＝b*K_外+c*K_外*（l/L）^a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：

1.085<a<1.107,0.988<b+c<1.011，0.495<b<0.628。

作为优选，随着l/L增加，a逐渐减小。

作为优选，1.094<a<1.101,b+c=1，0.563<b<0.575；

上述优化的公式是通过大量的实验和数值模拟得到的，能够使得密封结构达到最优化的分布，能够整体上热量分布均匀，换热效果好，同时能够节省材料。

作为优选，所述的最外端的宽度是4mm，最内端的宽度是1.2mm。

图2结构同样适用图3-8的密封结构。例如图5-7的左侧（油侧）的密封唇口也适用于图2的结构。其他附图的带压密封介质密封唇口也适用于图2的结构。

作为一个改进，如图3所示，所述密封唇口8液体侧密封面外端面上设置若干道楔形槽泵吸结构14，所述楔形槽14与液侧密封面同心设置。通过设置密封唇口8的密封面开有若干道楔形槽泵吸结构，在低压密封介质工况下，根据泵吸机理此结构可以持续把泄露到密封面的液体泵吸回液体侧，进一步降低泄露量。具体是在密封面区域通过密封楔形槽结构，形成一系列微型三角密封环带，每个三角密封环带液体侧夹角大于气侧，在毛细效应作用下使两侧液体都流向密封面中间，但因两侧夹角不同空气侧毛细的有效面积大于液体侧，所以流向空气侧的液体不断被泵吸回液体侧，这一系列的三角密封环带形成泵吸作用。

作为优选，从密封唇口8外端向内端方向，所述环形槽14的分布密度越来越大。主要原因是在研究中发现，密封唇口8外端向内端方向，集油量逐渐增加,因此通过设置环形槽分布密度的变化，使得更快更好的密封面的油泵吸回油侧，不会漏油，同时保证密封环带的润滑油膜。

作为优选，从密封唇口8外端向内端方向，所述环形槽14的分布密度越来越大的幅度不断增加。上述规律也是通过大量的实验以及模拟研究发现的集油量的规律变化，也是本申请的一个开创性的研究成果，非本领域技术人员的常规手段。通过上述的规律变化，能够更好的适用集油量的规律变化，进一步的提高密封面的油泵吸回油侧，不会漏油

从密封唇口8外端向内端方向，所述环形槽14的槽的深度越来越大。具体原因参见环形槽14的分布密度变化。

作为优选从密封唇口8外端向内端方向，所述环形槽14的槽的深度越来越大的幅度不断增加。具体原因参见环形槽14的分布密度变化。

作为优选，支撑体为环状结构金属材料。

图3结构同样适用图2-8的密封结构的密封介质（液体侧）外端面。例如图5-7的左侧（液体侧）的密封唇口也适用于图3的结构，但是图5-7中的楔形槽泵吸结构14设置在液体侧的外端面上，从而使得液体即使进入密封唇口和气封唇口之间的空间，也会因为在毛细效应作用下使两侧液体都流向密封面中间。其他附图的低压液体侧密封唇口也适用于图3的结构，设置方式与图3相同。

作为优选，楔形槽是环形槽。

作为一个改进，如图4所示，所述密封结构还包括支撑唇口9，支撑唇口9设置的密封唇口8液体侧的外端面。在所述密封唇口8支撑唇口9组合被压紧安装到所述支撑体上内表面的环形槽内，在适度的压紧力下，所述密封唇口8支撑唇口9组合发生同向变形与旋转轴紧密贴合，如图4所示。在工作中密封唇口8与旋转轴相对旋转形成旋转动密封面，可以实现对带压液体或气体的密封功能。安装体一侧的带压液体或气体不能通过旋转密封面泄露到另一侧去。

通过设置支撑唇口9，增加支撑唇口9以后，提升了密封唇口8抗压抗翻唇能力，极限抗压能力提升43%。在带压旋转工况下（一般大于10bar工况时），密封面后背未有支撑措施会出现密封面卷翘密封功能失效，采用和密封唇口相同材料的支撑，可以与密封环面一起成型，防卷翘效果更好，同时防止传统金属支撑易划伤旋转轴问题。

作为优选，所述支撑唇口9的外端与密封唇口8的外端对齐，支撑唇口9的内端距离密封唇口8一定距离。作为优选，支撑唇口9长度是密封唇口8长度的65%～75%，在此范围内，既能确保扛压抗翻唇能力，又可以确保支撑唇口与轴保持安全距离，防止增加抱轴负荷。

作为一个改进，如图5所示，所述支撑体包括外支撑体11和内支撑体12，第一密封唇口2、第二密封唇口3和密封唇口垫片10，所述外支撑体11设置内螺纹，所述内支撑体12设置外螺纹。所述设置外螺纹的内支撑体12旋紧在设置内螺纹的外支撑体11内孔通过唇口密封垫片10将所述第一密封唇口2和第二密封唇口3组合压紧安装到所述内外支撑体之间环形槽内。本发明的密封唇口采用聚四氟乙烯材料，结构为圆环形的薄片，内外支撑体为设置螺纹的金属材料圆环结构。所述的密封垫片10采用O型密封橡胶圈。本发明方便安装拆卸，部分部件可以重复利用，产品更换成本更低。同时解决现有因产品扣压成型不精准密封面失效导致产品整体更换问题。作为优选，密封唇口垫片10采用聚四氟乙烯材料，结构是正六面体外形。以保证外支撑体11、12和唇口之间密封接触宽度。

作为优选，密封唇口垫片10的外接圆的外径和外支撑体内径相匹配。

所述第一密封唇口2和第二密封唇口3组合通过密封唇口垫片10被设置内外螺纹的外支撑体和内支撑体旋紧安装到图5所示支撑体上内表面的环形槽内，在适度的压紧力下，所述第一密封唇口2第二密封唇口3组合发生同向变形与图5所示旋转轴紧密贴合。在工作中密封唇口2、密封唇口3组合与旋转轴相对旋转形成旋转动密封面，可以实现一侧密封液体一侧密封气体的密封功能。安装体一侧的液体不能通过旋转密封面泄露到另一侧气体区域去；安装体另一侧的气体也不能通过旋转密封面泄露到液体侧区域去。

根据上述密封特点，设置螺纹的支撑体结构可以更精准的控制密封产品实现密封数据的可控性。同时解决因产品扣压成型不精准密封面失效导致产品整体更换问题。

作为一个改进，如图6所示，所述支撑体的内表面开有相邻2个环形槽，所述防尘唇口13、所述密封唇口8分别被压紧安装到所述支撑体上内表面的2道环形槽内，在适度的压紧力下，所述防尘唇口13与所述密封唇口8发生同向变形与图示旋转轴紧密贴合，它们之间的连接是密封的。所述支撑体与图示安装体之间采用密封圈或密封胶进行静态密封，它们之间没有相对旋转运动，在所述防尘唇口13和密封唇口8处形成旋转动密封面，可以实现一侧密封润滑油，一侧防尘功能。

作为优选，防尘唇口13与所述密封唇口8朝向同一方向弯曲，都是朝向油侧腔，如图6所示。在单侧密封油的密封装置中，具有泵吸原理密封结构的方案中如图3方案中会有尘粒之类被吸入密封面划伤密封面而失效；密封唇口为主要密封面；防尘唇口为辅助密封面，防止主密封面失效泄露严重，同时，在主密封环面有泵吸结构时防尘唇口具有防止异物泵入主密封环面功能。

作为优选，在带压密封介质工况下为防止唇口卷翘密封唇口8可以采用图2的渐变结构。

作为优选，防尘唇口13与所述密封唇口8朝向不同方向弯曲，其中密封唇口8是朝向油侧腔，防尘唇口13朝向气侧腔，如图7所示。此结构可以确保在外部带压气体的作用下保持一定抱轴预载能力，因此起到防尘隔尘作用。本密封方式优选适用于一侧密封油，另一侧密封带压气体，同时油密封面具有泵吸结构时防止尘粒进入油环密封带。

需要重点说明的是，若防尘侧有带压气体〔＜5bar）安装局部剖面图如说明书附图7所示，则所述密封唇口8与所述防尘唇口13发生反向变形与图示旋转轴紧紧贴合。实现一侧密封液体，一侧密封气体同时兼有防尘功能。安装体左侧的气体和浮尘不会通过安装体和转轴之间的密封结构泄漏到安装体右方的润滑油区域，润滑油不会通过安装体和转轴之间的密封结构泄露到气体区域。

作为一个改进，如图8所示，一种PTFE反向唇口旋转密封结构，所述旋转密封结构用于在安装体与旋转轴之间建立密封关系。所述旋转密封结构包括O型密封橡胶圈5和挡圈15；所述支撑体包括内支撑体12和外支撑体11，所述内支撑体设置在外支撑体下部并且压紧在外支撑体内孔，内支撑体和外支撑体包括向下延伸的部分，所述向下延伸的部分之间形成环形槽，所述封密封唇口8上端固定在环形槽内；所述O型密封橡胶圈通过挡圈抵靠在密封唇口内支撑体的内径向靠近大气侧的一面，所述O型密封橡胶圈、所述密封唇口、挡圈和内支撑体之间形成密封空间，所述密封唇口设置连通密封空间的通槽，密封介质通过通槽充满密封空间。

所述内支撑体压紧在外支撑体内孔，通过过盈配合形成环形槽把密封唇口8上端固定在环形槽内。所述密封唇口8在内外支撑体内圆沿线开有通槽。所述O型密封橡胶圈设置在密封唇口8的靠近大气一侧，优选通过挡圈落座在密封唇口8的上面，O型密封橡胶圈抵靠在内支撑体的下端。O型密封橡胶圈根据密封介质压力设有一定预载，静态防止密封介质在密封面泄露。密封介质通过密封唇口不连续通槽充满O型密封橡胶圈的上方。所述挡圈设置在O型密封橡胶圈的与密封唇口8接触的相对的一侧，并压紧抵靠在O型密封橡胶圈的相对的一侧上。作为优选，所述挡圈连接内支撑体，从内支撑体向下延伸。本发明根据带压介质的压力设计O型密封橡胶圈的尺寸实现由O型密封橡胶预紧，带压密封介质动态平衡的高压旋转密封功能。此密封装置可以实现高压密封介质状态下更合理的唇口结构，更小的密封面更低的摩擦和能耗，从而更长的使用寿命。此密封装置可以背对背成对使用实现高压液体双向密封。与传统PTFE唇口密封不同，带压密封介质在唇口背侧。它更适合在要求高压（如30bar以上），上泄露量更小（小于1ml/h）的工况实现带压液体密封。

作为优选，上述的所有改进可以至少两个结合在一起。例如密封唇口8外端是油侧，外端可以设置环形槽。密封唇口8可以是变截面结构等。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种环形槽旋转密封结构，所述旋转密封结构用于在安装体与旋转轴之间建立密封关系；所述旋转密封结构包括：环体结构的支撑体、密封唇口；所述支撑体的环体外表面与安装体的内表面安装在一起，它们之间设置为无相对转动；所述密封唇口设置为具备弹性特性的圆环结构；

所述密封唇口的圆环结构内侧端穿入旋转轴，从而与旋转轴完成装配，所述内侧端发生变形与所述旋转轴紧紧，从而形成旋转动密封面，实现旋转动密封，一侧密封液体，一侧密封气体；安装后的密封唇口是弯曲结构，

其特征在于，所述密封结构还包括支撑唇口，支撑唇口设置的密封唇口液体侧的外端面。在所述密封唇口支撑唇口组合被压紧安装到所述支撑体上内表面的环形槽内，在压紧力下，所述密封唇口支撑唇口组合发生同向喇叭口变形与转轴紧密贴合。

2.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述内端朝向气体侧方向弯曲延伸。

3.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述支撑唇口的外端与密封唇口的外端对齐，支撑唇口的内端距离密封唇口一定距离。

4.如权利要求3所述的密封结构，其特征在于，支撑唇口长度是密封唇口长度的65%～75%。

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