CN113494610B - 具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置 - Google Patents

具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械密封技术领域，提供了一种机械密封装置，包括具有阻尼支撑的浮动环结构；该具有阻尼支撑的浮动环结构，包括浮动环座和浮动环；浮动环朝向浮动环座的那一侧设置有推环；推环与浮动环座之间圆周均布设置有若干个阻尼器；阻尼器包括活塞腔、活塞盘和活塞杆；活塞腔设置在推环的端面上；活塞盘设置在活塞腔内、且活塞盘的外圆柱面与活塞腔的内圆柱面间隙配合，并由外圆柱面与内圆柱面之间的间隙形成节流间隙；活塞杆的一端与浮动环座连接，另一端与活塞盘连接。本发明可通过设计节流间隙或/和节流孔的尺寸以主动调节浮动环轴向阻尼系数，达到主动调节浮动环轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性的目的。

Description

具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置
技术领域
本发明涉及机械密封技术领域，尤其是一种具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置。
背景技术
机械密封广泛应用于众多的旋转机械轴端密封中，例如各种型式的泵、压缩机、反应釜等旋转类机器的轴端密封。传统机械密封装置中，一般将动、静环之一设置为轴向浮动，可轴向浮动的动、静环又称为浮动环，浮动环轴向由弹簧支撑于相应环座上。目前较多的是静环浮动，并轴向浮动支撑于静环座上。
这种具有浮动环的机械密封装置，在使用过程中，由于浮动环沿其轴向移动，这就会导致浮动环产生轴向扰动，进而影响机械密封的性能，严重时会提前导致机械密封装置失效。
图1是现有机械密封装置的结构示意图，该机械密封装置中的静环为浮动环。参见图1，现有的机械密封装置，包括动环101、动环座102、公差环103、压紧套104、静环105、静环座106、推环107、弹簧108和防转销109。所述动环座102为轴套结构；动环座102径向以其内孔面套装在旋转轴110的外圆柱面上，轴向与旋转轴110上的轴肩处台阶面接触，周向与旋转轴110固定连接并同步旋转。所述动环101径向由公差环103胀紧在动环座102的外圆周面上，轴向与动环座102的台阶面接触并被压紧套104轴向压紧，周向与动环座102固定连接并同步旋转，因此，动环101可随动环座102与旋转轴110一起同步旋转。所述静环105与动环101共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。所述静环105径向空套在静环座106上，与静环座106保持相对静止，其轴向由推环107和弹簧108浮动支撑，周向由防转销109定位，使静环105只可沿轴向自由浮动而不能随旋转轴110转动。所述推环107上且与静环105接触的内径侧安装有与静环座106密封配合的密封圈111。
上述机械密封装置，密封圈111主要起密封的作用，当静环105沿其轴向移动时，虽然密封圈111与静环座106之间的摩擦力可起到阻止静环105沿其轴向移动的作用，形成一定的阻尼，但是这种阻尼较小，且不便于主动控制或设计，因此难以主动调节浮动环轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置，可主动调节浮动环轴向的抗扰动特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：具有阻尼支撑的浮动环结构，包括浮动环座和浮动环；所述浮动环沿其轴向浮动安装在浮动环座上；所述浮动环朝向浮动环座的那一侧设置有推环；所述推环与浮动环座之间圆周均布设置有若干个弹簧；
所述推环与浮动环座之间圆周均布设置有若干个阻尼器；所述阻尼器包括活塞腔、活塞盘和活塞杆；所述活塞腔设置在推环的端面上；所述活塞盘设置在活塞腔内、且活塞盘的外圆柱面与活塞腔的内圆柱面间隙配合，并由外圆柱面与内圆柱面之间的间隙形成节流间隙；所述活塞杆的一端与浮动环座连接，另一端与活塞盘连接。
进一步的，所述节流间隙的尺寸为δ；其中，δ≤100μm。
进一步的，所述活塞盘上圆周均布设置有若干个贯穿该活塞盘的节流孔。
进一步的，所述节流孔为圆柱形孔；所述节流孔的内径小于或等于5mm。
进一步的，所述活塞盘的外圆柱面上安装有与活塞腔的内圆柱面相配合的第一密封圈。
进一步的，所述活塞杆的一端与浮动环座铰接或/和所述活塞杆的另一端与活塞盘铰接。
进一步的，所述阻尼器还包括安装在浮动环座上的活塞杆座；所述活塞杆的一端与活塞杆座铰接。
进一步的，所述推环上且与浮动环接触的外径侧设置有第二密封圈；所述推环上且与浮动环接触的内径侧设置有第三密封圈。
进一步的，所述浮动环与推环为一体成型结构。
机械密封装置，包括具有阻尼支撑的浮动环结构；所述浮动环座为静环座，且所述浮动环为静环；或所述浮动环座为动环座，且所述浮动环为动环。
本发明的有益效果是：
1、本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置，通过设置阻尼器，可有效降低浮动环轴向扰动时的振动频率，同时让浮动环轴向扰动时的振幅迅速衰减，或调整浮动环轴向扰动时不产生振动，而是呈指数衰减并回到平衡位置。
2、本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置，可通过设计节流间隙或/和节流孔的尺寸以主动调节浮动环轴向阻尼系数，达到主动调节浮动环轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性的目的。
3、本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构及机械密封装置，当调节节流间隙或/和节流孔的尺寸改变浮动环轴向阻尼系数由0.1上升至0.2时，浮动环轴向振动频率将下降至原来频率的三分之二，振幅衰减率将约增大为原来的1.8倍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍；显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的机械密封装置的结构示意图；
图2是采用本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构的机械密封装置的第一种结构示意图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是图2中A处放大图；
图5是图4中B处第一种结构的放大图；
图6是图4中B处第二种结构的放大图；
图7是图4中B处第三种结构的放大图；
图8是采用本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构的机械密封装置的第二种结构示意图；
图9是采用本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构的机械密封装置的第三种结构示意图。
图中附图标记为：101-动环，102-动环座，103-公差环，104-压紧套，105-静环，106-静环座，107-推环，108-弹簧，109-防转销，110-旋转轴，111-密封圈；201-浮动环座，202-浮动环，203-推环，204-弹簧，205-阻尼器，206-活塞腔，207-活塞盘，208-活塞杆，209-外圆柱面，210-内圆柱面，211-节流间隙，212-节流孔，213-第一密封圈，214-活塞杆座，215-第二密封圈，216-第三密封圈，217-第四密封圈；301-静环座，302-静环，303-动环座，304-动环，305-公差环，306-压紧套，307-防转销，308-旋转轴。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
参见图2至图5，本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，包括浮动环座201和浮动环202；所述浮动环202沿其轴向浮动安装在浮动环座201上；所述浮动环202朝向浮动环座201的那一侧设置有推环203；所述推环203与浮动环座201之间圆周均布设置有若干个弹簧204；所述推环203与浮动环座201之间圆周均布设置有若干个阻尼器205；所述阻尼器205包括活塞腔206、活塞盘207和活塞杆208；所述活塞腔206设置在推环203的端面上；所述活塞盘207设置在活塞腔206内、且活塞盘207的外圆柱面209与活塞腔206的内圆柱面210间隙配合，并由外圆柱面209与内圆柱面210之间的间隙形成节流间隙211；所述活塞杆208的一端与浮动环座201连接，另一端与活塞盘207连接。
参见图2、图3，本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，包括浮动环座201和浮动环202；所述浮动环202通过弹簧204和推环203轴向浮动支撑在浮动环座201上，以使浮动环202可沿其轴向移动。所述推环203与浮动环座201之间还圆周均布设置有至少三个起阻尼作用的阻尼器205。
本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，通过设置阻尼器205，可有效降低浮动环202轴向扰动时的振动频率，同时让浮动环202轴向扰动时的振幅迅速衰减，或调整浮动环202轴向扰动时不产生振动，而是呈指数衰减并回到平衡位置。
参见图4、图5，本发明实施例提供的阻尼器205，包括设置在推环203左端面上、且呈圆柱形的活塞腔206，设置在活塞腔206内、且呈圆柱形的活塞盘207，左端与浮动环座201连接、右端与活塞盘207连接的活塞杆208。所述活塞盘207的外圆柱面209与活塞腔206的内圆柱面210间隙配合，并由外圆柱面209与内圆柱面210之间的间隙形成起阻尼作用的节流间隙211，且所述活塞盘207的右端面与活塞腔206的底部之间形成一定容积的空腔。
本发明实施例提供的阻尼器205的工作原理为：参见图4、图5，当浮动环202向左移动时，活塞腔206内的容积被压缩，活塞腔206内的介质经过节流间隙211流向活塞腔206外时，介质的流速减慢、流量减小，起到阻尼作用，进而使活塞腔206内介质的压力升高，对浮动环202形成向右的推力，阻碍浮动环202向左的运动。当浮动环202向右移动时，活塞腔206内的容积膨胀，活塞腔206外的介质经过节流间隙211流向活塞腔206内时，介质的流速减慢、流量减小，起到阻尼作用，进而使活塞腔206内介质的压力降低，对浮动环202形成向左的拉力，阻碍浮动环202向右运动。
本发明实施例提供的阻尼器205，所述节流间隙211的尺寸越小，阻尼器205的阻尼系数就越大，阻尼效果就越好。参见图5，所述节流间隙211的尺寸为δ；通过试验表明，当δ≤100μm时，该节流间隙211就具有良好的阻尼作用。因此，作为一种实施方式，所述节流间隙211的尺寸为δ；其中，δ≤100μm。优选的，δ≤50μm。
本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，由于节流间隙211的尺寸可精确控制，因此，可通过设计节流间隙211的尺寸以主动调节阻尼器205的阻尼系数，进而达到主动调节浮动环202轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性的目的。当调节节流间隙211的尺寸改变浮动环202轴向阻尼系数由0.1上升至0.2时，浮动环202轴向振动频率将下降至原来频率的三分之二，振幅衰减率将约增大为原来的1.8倍。
所述活塞杆208的两端可以分别与浮动环座201和活塞盘207固定连接，但是这种连接方式对阻尼器205的加工与安装有较高的要求，若阻尼器205的加工与安装不能满足要求，则活塞盘207在移动过程中就容易出现活塞盘207的外圆柱面209与活塞腔206的内圆柱面210接触的情况，进而导致活塞盘207在移动过程中出现卡顿现象。
为了防止活塞盘207在移动过程中出现卡顿现象，并降低阻尼器205的加工和安装要求，作为优选的实施方式，所述活塞杆208的一端与浮动环座201铰接或/和所述活塞杆208的另一端与活塞盘207铰接。参见图4，所述阻尼器205还包括安装在浮动环座201上的活塞杆座214；所述活塞杆208的一端与活塞杆座214铰接。所述活塞杆座214与浮动环座201固定连接，其连接方式可以为过盈配合或螺纹连接。
参见图4、图6，本发明实施例提供的阻尼器205，所述活塞盘207上圆周均布设置有若干个贯穿该活塞盘207的节流孔212。所述节流孔212起节流作用，优选的，该节流孔212的数量至少为三个。
本发明实施例提供的阻尼器205的工作原理为：参见图4、图6，当浮动环202向左移动时，活塞腔206内的容积被压缩，活塞腔206内的介质经过节流间隙211和节流孔212流向活塞腔206外时，介质的流速减慢、流量减小，起到阻尼作用，进而使活塞腔206内介质的压力升高，对浮动环202形成向右的推力，阻碍浮动环202向左的运动。当浮动环202向右移动时，活塞腔206内的容积膨胀，活塞腔206外的介质经过节流间隙211和节流孔212流向活塞腔206内时，介质的流速减慢、流量减小，起到阻尼作用，进而使活塞腔206内介质的压力降低，对浮动环202形成向左的拉力，阻碍浮动环202向右运动。
本发明实施例提供的阻尼器205，所述节流孔212起阻尼作用，当节流孔212的数量确定后，所述节流孔212的尺寸越小，阻尼器205的阻尼系数就越大，阻尼效果就越好。通过试验表明，当节流孔212内径小于或等于5mm时，该节流孔212就具有良好的阻尼作用。因此，作为一种实施方式，所述节流孔212为圆柱形孔；所述节流孔212的内径小于或等于5mm。
本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，由于节流间隙211和节流孔212的尺寸均可精确控制，因此，可通过设计节流间隙211和节流孔212的尺寸以主动调节阻尼器205的阻尼系数，进而达到主动调节浮动环202轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性的目的。当调节节流间隙211和节流孔212的尺寸改变浮动环202轴向阻尼系数由0.1上升至0.2时，浮动环202轴向振动频率将下降至原来频率的三分之二，振幅衰减率将约增大为原来的1.8倍。
图5、图6实施例中提供的阻尼器205，在使用过程中，由于加工和安装误差，有可能造成活塞盘207在移动过程中出现偏心的现象，导致节流间隙211出现一侧的尺寸大、另一侧的尺寸小的情况，这就会影响阻尼器205的阻尼系数，进而影响浮动环202轴向抗扰动特性的稳定性。
为了保证浮动环202轴向抗扰动特性的稳定性，参见图4、图7，本发明实施例提供的阻尼器205，所述活塞盘207的外圆柱面209上安装有与活塞腔206的内圆柱面210相配合的第一密封圈213。所述活塞盘207的外圆柱面209上设置有一圈定位槽，所述第一密封圈213安装在该定位槽中，且第一密封圈213与活塞腔206的内圆柱面210密封配合。
本发明实施例提供的阻尼器205的工作原理为：参见图4、图7，当浮动环202向左移动时，活塞腔206内的容积被压缩，活塞腔206内的介质经过节流孔212流向活塞腔206外时，介质的流速减慢、流量减小，起到阻尼作用，进而使活塞腔206内介质的压力升高，对浮动环202形成向右的推力，阻碍浮动环202向左的运动。当浮动环202向右移动时，活塞腔206内的容积膨胀，活塞腔206外的介质经过节流孔212流向活塞腔206内时，介质的流速减慢、流量减小，起到阻尼作用，进而使活塞腔206内介质的压力降低，对浮动环202形成向左的拉力，阻碍浮动环202向右运动。
本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，通过设置第一密封圈213，使得该阻尼器205仅通过节流孔212起阻尼作用，而由于节流孔212的尺寸恒定不变，因此，即使活塞盘207在移动过程中出现偏心现象，该阻尼器205的阻尼系数保持恒定不变，保证了浮动环202轴向抗扰动特性的稳定性。由于节流孔212的尺寸均可精确控制，因此，可通过设计节流孔212的尺寸以主动调节阻尼器205的阻尼系数，进而达到主动调节浮动环202轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性的目的。当调节节流孔211的尺寸改变浮动环202轴向阻尼系数由0.1上升至0.2时，浮动环202轴向振动频率将下降至原来频率的三分之二，振幅衰减率将约增大为原来的1.8倍。
参见图2、图4，本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构，所述推环203的右端面与浮动环202的左端面紧密贴合，所述推环203上且与浮动环202接触的外径侧设置有第二密封圈215；所述推环203上且与浮动环202接触的内径侧设置有第三密封圈216。通过设置第三密封圈216，用于在推环203的内径侧与浮动环座201之间进行密封。通过在推环203右端面的外径侧和内径侧分别设置第二密封圈215和第三密封圈216，从而在推环203的右端面与浮动环202的左端面之间、且位于第二密封圈215与第三密封圈216之间形成密封区域，以便该密封区域外侧的介质压力把推环203和浮动环202在轴向紧密压在一起，当浮动环202向右移动时，避免出现推环203与浮动环202分离的现象。
作为一种实施方式，所述推环203与浮动环202可以固定连接。优选的，参见图8，所述浮动环202与推环203为一体成型结构，所述推环203远离所述浮动环202的那个端面的内径侧设置有第四密封圈217。
图2是采用本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构的机械密封装置的第一种结构示意图。为简洁起见，图2中仅示出机械密封装置的上部结构，省略了与之相对称的下部结构。
参见图2，本发明实施例提供的机械密封装置，包括具有阻尼支撑的浮动环结构；所述浮动环座201为静环座，且所述浮动环202为静环。该机械密封装置还包括动环304、动环座303、公差环305、压紧套306和防转销307。所述动环座303为轴套结构；动环座303径向以其内孔面套装在旋转轴308的外圆柱面上，轴向与旋转轴308上的轴肩处台阶面接触，周向与旋转轴308固定连接并同步旋转。所述动环304径向由公差环305胀紧在动环座303的外圆周面上，轴向与动环座303的台阶面接触并被压紧套306轴向压紧，周向与动环座303固定连接并同步旋转，因此，动环304可随动环座303与旋转轴308一起同步旋转。所述浮动环202与动环304共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。所述浮动环202沿其轴向浮动安装在浮动环座201上，径向与浮动环座201保持相对静止，其轴向由推环203、弹簧204和阻尼器205浮动支撑，周向由防转销307定位，使浮动环202只可沿轴向自由浮动而不能随旋转轴308转动。
图8是采用本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构的机械密封装置的第二种结构示意图。为简洁起见，图8中仅示出机械密封装置的上部结构，省略了与之相对称的下部结构。
参见图8，本发明实施例提供的机械密封装置，包括具有阻尼支撑的浮动环结构；所述浮动环座201为静环座，且所述浮动环202为静环；所述浮动环202与推环203为一体成型结构。该机械密封装置的其他结构与图2中的结构相一致，在此不再赘述。
图9是采用本发明实施例提供的具有阻尼支撑的浮动环结构的机械密封装置的第三种结构示意图。为简洁起见，图9中仅示出机械密封装置的上部结构，省略了与之相对称的下部结构。
参见图9，本发明实施例提供的机械密封装置，包括具有阻尼支撑的浮动环结构；所述浮动环座201为动环座，且所述浮动环202为动环；所述浮动环202与推环203为一体成型结构。该机械密封装置还包括静环座301、静环302和防转销307。所述浮动环座201为轴套结构；浮动环座201径向以其内孔面套装在旋转轴308的外圆柱面上，轴向与旋转轴308上的轴肩处台阶面接触，周向与旋转轴308固定连接并同步旋转。所述浮动环202沿其轴向浮动安装在浮动环座201上，径向与浮动环座201保持相对静止，其轴向由推环203、弹簧204和阻尼器205浮动支撑，使浮动环202不仅可沿轴向自由浮动而且能随旋转轴308转动，因此，浮动环202可随浮动环座201与旋转轴308一起同步旋转。所述浮动环202与静环302共轴线相对设置，其相对的端面为密封面。所述静环302径向以其内孔面套装在静环座301的圆柱面上，轴向与静环座301的台阶面接触，周向由防转销307定位，使静环302与静环座301固定连接并相对静止。
本发明实施例提供的机械密封装置，可通过设计节流间隙211或/和节流孔212的尺寸以主动调节浮动环202轴向阻尼系数，达到主动调节浮动环202轴向的振动频率、振幅衰减率等抗扰动特性的目的。当调节节流间隙211或/和节流孔212的尺寸改变浮动环202轴向阻尼系数由0.1上升至0.2时，浮动环202轴向振动频率将下降至原来频率的三分之二，振幅衰减率将约增大为原来的1.8倍。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有阻尼支撑的浮动环结构，包括浮动环座(201)和浮动环(202)；所述浮动环(202)沿其轴向浮动安装在浮动环座(201)上；所述浮动环(202)朝向浮动环座(201)的那一侧设置有推环(203)；所述推环(203)与浮动环座(201)之间圆周均布设置有若干个弹簧(204)；
其特征在于，所述推环(203)与浮动环座(201)之间圆周均布设置有若干个阻尼器(205)；所述阻尼器(205)包括活塞腔(206)、活塞盘(207)和活塞杆(208)；所述活塞腔(206)设置在推环(203)的端面上；所述活塞盘(207)设置在活塞腔(206)内、且活塞盘(207)的外圆柱面(209)与活塞腔(206)的内圆柱面(210)间隙配合，并由外圆柱面(209)与内圆柱面(210)之间的间隙形成节流间隙(211)；所述活塞杆(208)的一端与浮动环座(201)连接，另一端与活塞盘(207)连接。
2.根据权利要求1所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述节流间隙(211)的尺寸为δ；其中，δ≤100μm。
3.根据权利要求1所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述活塞盘(207)上圆周均布设置有若干个贯穿该活塞盘(207)的节流孔(212)。
4.根据权利要求3所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述节流孔(212)为圆柱形孔；所述节流孔(212)的内径小于或等于5mm。
5.根据权利要求3所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述活塞盘(207)的外圆柱面(209)上安装有与活塞腔(206)的内圆柱面(210)相配合的第一密封圈(213)。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述活塞杆(208)的一端与浮动环座(201)铰接或/和所述活塞杆(208)的另一端与活塞盘(207)铰接。
7.根据权利要求6所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述阻尼器(205)还包括安装在浮动环座(201)上的活塞杆座(214)；所述活塞杆(208)的一端与活塞杆座(214)铰接。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述推环(203)上且与浮动环(202)接触的外径侧设置有第二密封圈(215)；所述推环(203)上且与浮动环(202)接触的内径侧设置有第三密封圈(216)。
9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的具有阻尼支撑的浮动环结构，其特征在于，所述浮动环(202)与推环(203)为一体成型结构。
10.机械密封装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的具有阻尼支撑的浮动环结构；所述浮动环座(201)为静环座，且所述浮动环(202)为静环；或所述浮动环座(201)为动环座，且所述浮动环(202)为动环。
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