CN117386812A - 一种密封结构以及组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种密封结构以及组装方法，属于机械密封技术领域，包括：容器主体；固定在所述容器主体端部的封盖，所述容器主体与所述封盖之间设置有一预设间隔；与所述封盖固定连接的密封圈；与所述容器主体固定连接的密封挡环；所述密封挡环的端部与所述密封圈的端部接触，且所述密封圈通过所述密封档环固定在所述预设间隔内部。通过采用本发明的技术方案，降低了封盖的制造难度，简化了封盖侧壁连接部位的结构形状，容易装配，提升了旋转容器性能，能够同时实现良好的装配工艺性、密封性、结构稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及机械密封技术领域，特别是指一种密封结构以及组装方法。
背景技术
同时具备机械运行和密封功能的旋转容器，是近年来高端装备制造行业的新技术需求。在高转速运行的工况下，要求旋转部件形成的容器内腔具有良好的密封性，从而实现除了传统力学功能以外的保压、存储或特殊流场分布的一种或多种功能，对旋转容器的结构设计和成型方式都提出了更高的要求。
这种更高的要求具体表现在：(1)旋转容器设计从单一维度的机械性能设计提升为机械性能、密封性能甚至考虑内部流体和热应力影响的多维度综合设计；(2)密封结构设计需要综合考虑静态下各部件之间的尺寸链和动态下各部件之间的变形协调；(3)满足功能和性能要求的旋转容器的制造和装配工艺性。
另一方面，为了满足旋转容器高转速运行要求，通常采用薄壁结构，旋转容器主体和封盖之间的连接部位壁厚非常薄，密封设计余量很小。传统机械密封中的轴密封、端面密封、波纹管密封等都需要较大的空间配合尺寸，在高转速运行的薄壁结构中难以应用。另外，高效、可靠、经济性好的密封结构与成型方法是当前旋转容器设计的技术瓶颈和研发目标。
综上所述，现有的密封结构体积过大，无法在采用薄壁结构的旋转容器内使用。另外，能够在旋转容器内使用的密封结构复杂，难以用常规工艺制作，造成成本高昂。现有的密封结构难以满足旋转容器在离心力作用下的变形协调需求，使得密封结构可靠性低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种密封结构与组装方法，用以解决高转速旋转容器空间有限，常规密封结构难以设置，难以制造，难以装配的技术问题，以及密封结构在高转速环境下动态变形不协调，导致密封装置可靠性低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种密封结构，包括：
容器主体；
固定在所述容器主体端部的封盖，所述容器主体与所述封盖之间设置有一预设间隔；
与所述封盖固定连接的密封圈；
与所述容器主体固定连接的密封挡环；
所述密封挡环的端部与所述密封圈的端部接触，且所述密封圈通过所述密封档环固定在所述预设间隔内部。
可选的，所述封盖包括：顶板；与所述顶板边缘相连的外环形翻边；与所述顶板边缘相连且与所述外环形翻边垂直的挡板；所述顶板、所述外环形翻边和所述挡板一体成型。
可选的，所述密封挡环为L型环状结构；所述密封挡环包括：密封挡环本体；与所述密封挡环本体一体成型的内环形翻边；所述内环形翻边的径向厚度与所述挡板的厚度相同。
可选的，所述密封圈为环状结构且截面为D型；所述密封圈包括：平直段，所述平直段的一端与第一圆弧段的一端连接；所述第一圆弧的另一端与第二圆弧段的一端相连，所述第二圆弧段的另一端与第三圆弧段的一端相连，所述第三圆弧段的另一端与所述平直段另一端相连。
可选的，所述第一圆弧段为半径为0.2mm～1.0mm的圆弧；所述第二圆弧段为半径为3mm～10mm的圆弧；所述第三圆弧段为半径为0.2mm～1.0mm的圆弧。
可选的，所述第二圆弧段与所述容器主体内表面之间通过过盈配合的方式连接；所述密封挡环本体外表面与所述容器主体内表面通过过盈配合的方式连接；所述密封挡环本体内表面与所述挡板外表面通过过盈配合的方式连接。
可选的，所述密封挡环本体外表面与所述容器主体内表面之间的过盈量大于所述密封挡环本体内表面与所述挡板外表面之间的过盈量；所述密封挡环本体内表面与所述挡板外表面之间的过盈量大于所述第二圆弧段与所述容器主体内表面之间的过盈量。
可选的，所述容器主体内表面、所述挡板外表面的粗糙度均不超过1.6μm，用于保证所述容器主体的密封性。
本发明还提供一种密封结构组装方法，包括：
步骤S1：将所述平直段与所述挡板外表面上部粘接并固化；
步骤S2：将所述的密封挡环本体外表面与所述容器主体内表面粘接；
步骤S3：在所述密封挡环本体外表面与所述容器主体内表面粘接且未固化时，将粘接有所述密封圈的封盖与粘接有所述密封档环的容器主体过盈装配；
步骤S4：向下推动所述封盖，直至所述外环形翻边的下表面与所述容器主体接触，从而将所述密封档环移至最终固定位置；
步骤S5：等待所述密封挡环本体外表面与所述容器主体内表面的胶固化。
可选的，步骤S3中，粘接有所述密封圈的封盖与粘接有所述密封档的容器主体过盈装配时，所述外环形翻边下表面位于所述容器主体顶部0.2mm～0.5mm处。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明的上述方案，包括：容器主体；固定在所述容器主体端部的封盖，所述容器主体与所述封盖之间设置有一预设间隔；与所述封盖固定连接的密封圈；与所述容器主体固定连接的密封挡环；所述密封挡环的端部与所述密封圈的端部接触，且所述密封圈通过所述密封档环固定在所述预设间隔内部。通过设置密封挡环、密封圈、挡板的分体式设计，降低了封盖的制造难度，简化了封盖侧壁连接部位的结构形状，容易装配，提升了旋转容器性能。通过设置D型截面环状结构的密封圈以及采用梯度递减的过盈装配量的设计，从而同时实现良好的装配工艺性、密封性、结构稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明所述密封结构的局部剖面图；
图2是本发明所述密封结构中密封圈的剖面图；
图3是本发明所述密封结构中密封档环的结构示意图；
图4是本发明所述密封结构的剖面图；
附图标记说明：
1、容器主体；21、顶板；22、外环形翻边；23、挡板；3、密封圈；31、平直段；32、第一圆弧段；33、第二圆弧段；34、第三圆弧段；4、密封档环；41、密封挡环本体；42、内环形翻边。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种密封结构，包括：容器主体1；固定在所述容器主体1端部的封盖，所述容器主体1与所述封盖之间设置有一预设间隔；与所述封盖固定连接的密封圈3；与所述容器主体1固定连接的密封挡环4；所述密封挡环4的端部与所述密封圈3的端部接触，且所述密封圈3通过所述密封档环4固定在所述预设间隔内部。
如图1所示，在该实施例中，本申请所述容器主体1为了满足旋转容器高转速的运行要求，所述容器主体1需要采用薄壁结构，并且壁厚为1mm～10mm，材质为金属合金或碳纤维复合材料。
所述封盖与所述容器主体1的上部连接，并且与所述容器主体1之间形成了一个预设间隔空间，所述预设间隔内部设置有所述密封圈3、所述密封挡环4。通过设置分体式的密封结构，将所述密封挡环4与封盖拆分成两个独立的部件，极大的降低了封盖的制造难度，同时简化了封盖与所述容器主体1相连部分的结构，可以有效控制封盖侧壁的壁厚均匀度，从而达到减小旋转容器不平衡质量的目的。
所述密封圈3、所述密封挡环4均位于预设间隔内部，所述密封圈3的顶部与所述外环形翻边22下表面固定连接，所述密封挡环4位于所述密封圈3的下部并且与所述密封圈3底部固定连接，起到结构支撑的作用，还能起到为所述密封圈3的安装与压缩提供尺寸可控的密封空间的作用，同时能够限制所述密封圈3在高速旋转环境下产生的动态变形。
所述分体式密封结构相对于静态或动态橡胶圈密封结构，具有密封空间径向厚度小、橡胶圈变形受限的特点，使得所述密封圈3更加满足旋转容器在运行过程中的强度性能需求以及所述密封圈3在离心力的作用下的变形协调需求。
本发明的一个可选实施例中，所述封盖包括：顶板21；与所述顶板21边缘相连的外环形翻边22；与所述顶板21边缘相连且与所述外环形翻边22垂直的挡板23；所述顶板21、所述外环形翻边22和所述挡板23一体成型。
在本实施例中，所述挡板23与所述外环形翻边22垂直设置且均位于所述顶板21外侧。当所述封盖与所述容器主体1装配时，所述挡板23外表面、外环形翻边22下表面、容器主体1内表面之间形成所述预设间隔。所述封盖的厚度为0.5mm～2.0mm，所述封盖采用金属合金制成，起到满足旋转容器在高转速环境下运行要求的作用。
本发明的一个可选实施例中，所述密封挡环4为L型环状结构；所述密封挡环4包括密封挡环本体41，与所述密封挡环本体41固定连接的内环形翻边41；所述内环形翻边42的径向厚度与所述挡板23的厚度相同。
在本实施例中，所述密封挡环本体41与所述内环形翻边42一体成型。
在本实施例中，如图3所示，所述密封挡环4为L型环状结构，且外径大于所述容器主体1的内径，能够通过过盈配合的方式与所述容器主体1固定连接。所述密封挡环本体41的厚度为0.5mm～1.Omm，高度为4mm～10mm；所述内环形翻边42的厚度与所述挡板23的厚度相同，使得所述挡板23内表面与所述内环形翻边42的自由端处于一个竖直平面内；所述密封挡环4采用金属合金制成，从而起到保证所述容器主体1高转速运行要求的作用。
本发明的一个实施例中，所述密封圈3为环状结构且截面为D型；所述密封圈3包括平直段31、所述平直段31的一端与第一圆弧段32的一端连接、所述第一圆弧段32的另一端与第二圆弧段33的一端相连，所述第二圆弧段33的另一端与第三圆弧段34的一端相连，所述第三圆弧段34与所述平直段31另一端相连。
本发明的一个实施例中，所述第一圆弧段32为半径为0.2mm～1.0mm的圆弧；所述第二圆弧段33为半径为3mm～10mm的圆弧；所述第三圆弧段34为半径为0.2mm～1.Omm的圆弧。
在本实施例中，如图2所示，所述平直段31、所述第一圆弧段32、所述第二圆弧段33、所述第三圆弧段34首尾相连，形成截面为D型的环状结构密封圈。其中，所述第一圆弧段32、所述第三圆弧段34的弧度相同，所述第二圆弧段33的弧度大于所述第一圆弧段32、第三圆弧段34。相比于一般密封设计采用的矩形截面、圆形截面、椭圆截面等规则形状，D型截面同时满足了所述平直段31与所述挡板23外表面之间的强粘接力、所述第二圆弧段33与所述容器主体1在高转速运行状态下的大压缩变形、所述第三圆弧段34与所述密封档环本体41接触面的小接触压力。具体的，强粘接力可以满足装配过程中所述密封圈3不发生滑脱，大压缩变形可以起到提供结构足够的密封可靠性的作用，小接触压力可以保证高转速运行时所述密封档环4不发生轴向滑移，从而同时实现良好的装配工艺性、密封性和结构稳定性。
所述密封圈3厚度为0.5～1.0mm，高度为4～10mm，所述密封圈3在自然状态下的内径比所述挡板23的外径小10％～30％，起到使所述密封圈3装配在挡板23上时具有一定的张力，便于粘接和固定位置，从而提升旋转容器装配工艺性的作用。
本发明的一个实施例中，所述第二圆弧段33与所述容器主体1内表面之间通过过盈配合的方式连接；所述密封挡环本体41外表面与所述容器主体1内表面通过过盈配合的方式连接；所述密封挡环本体41内表面与所述挡板23外表面通过过盈配合的方式连接。
本发明的一个实施例中，所述密封挡环本体41外表面与所述容器主体1内表面之间的过盈量大于所述密封挡环本体41内表面与所述挡板23外表面之间的过盈量；所述密封挡环本体41内表面与所述挡板23外表面之间的过盈量大于所述第二圆弧段33与所述容器主体内表面之间的过盈量。
在本实施例中，过盈量越大，所述密封挡环4、所述密封圈3与封盖2之间的预应力越大，在高速旋转时其结构应力越小，强度可靠性越高。虽然过盈量越大，结构应力越小，强度可靠性越高，但是，过盈量越大，所述密封结构装配工艺的难度越高。特别是对于本申请中涉及的多个零部件之间两两过盈的结构形式，需要充分考虑工艺上的可实现性，因此过盈量的数值不能过高。综上所述，过盈量的确定应兼顾结构可靠性以及装配工艺性的需求。
在本实施例中，所述密封挡环本体41外表面与所述容器主体1之间通过过盈配合的方式固定连接，过盈量为0.3mm～0.5mm；所述密封挡环本体41内表面与所述挡板23外表面之间通过过盈配合的方式固定连接，过盈量为0.2mm～0.3mm；所述密封挡环本体41内表面与所述挡板23外表面之间通过过盈配合的方式固定连接，过盈量为0.1mm～0.2mm。
通过在旋转容器径向由外到内采取过盈量依次递减的设计方案，一方面，可以使旋转容器在高速旋转状态下，内侧部件和外侧部件的应力接近理想的等应力状态，有助于增强结构的可靠性。另一方面，过盈量较大的部件先进行了装配，然后再装配过盈量相对小的部件，使密封结构具有良好的工艺性和可靠性。
本发明的一个实施例中，所述容器主体1内表面、所述挡板23外表面的粗糙度均不超过1.6μm，用于保证密封性。
在本实施例中，为了保证旋转仪器的密封性，所述容器主体1内表面、所述挡板23外表面的粗糙度均不超过1.6μm。
在本发明的一个具体的实施例中，所述容器主体1采用高强度碳纤维复合材料制成，所述封盖2、所述密封档环4均采用高强度铝合金制成，所述密封橡胶圈3采用丁腈橡胶制成；
所述密封档环本体41的径向厚度为0.6mm，轴向高度为7mm；
所述挡板23的厚度为0.8mm，与所述内环形翻边42的厚度相同；
所述容器主体1的厚度为10mm，直径为800mm；
所述密封圈3的径向厚度为0.7mm，轴向高度为8mm，所述密封圈3在自然状态下的直径为160mm；
所述第一圆弧段32的弧度为半径为1mm的圆弧，所述第二圆弧段33为半径为7mm的圆弧，所述第三圆弧34的弧度为半径为1mm的圆弧；
所述密封挡环本体41与所述容器主体1内表面之间的过盈量0.3mm；
所述挡板23外表面与所述密封档环本体41内表面之间的过盈量为0.2mm；
所述第二圆弧段33与所述容器主体1之间为过盈配合，过盈量为O.1mm；
所述挡板23的粗糙度为1.6μm；所述容器主体1内表面粗糙度为1.6μm。
本发明的实施例还提供了一种密封结构组装方法，包括：
步骤S1：将所述平直段31与所述挡板23外表面上部粘接并固化；
步骤S2：将所述的密封挡环本体41外表面与所述容器主体1内表面粘接；
步骤S3：在所述密封挡环本体41外表面与所述容器主体1内表面粘接且未固化时，将粘接有所述密封圈3的封盖与粘接有所述密封档环4的容器主体1过盈装配；
步骤S4：向下推动所述封盖，直至所述外环形翻边22的下表面与所述容器主体1接触，从而将密封档环移至最终固定位置；
步骤S5：等待所述竖环密封挡环本体41外表面与所述容器主体1内表面粘接固化。
本发明的一个实施例中，步骤S3中，粘接有所述密封圈3封盖与粘接有所述密封档环4的容器主体1过盈装配时，所述外环形翻边22下表面位于所述容器主体1顶部0.2mm～0.5mm处。
在本实施例中，通过向下推动粘接有所述密封圈3的封盖，使得所述密封圈3与所述密封挡环4接触并向下推动所述密封挡环4至最终位置。
在本实施例中，粘接所述密封圈3与所述挡板23外表面、粘接所述密封挡环本体41外表面与所述容器主体1内表面的胶采用AB胶等现有的胶即可。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种密封结构，其特征在于，包括：
容器主体(1)；
固定在所述容器主体(1)端部的封盖，所述容器主体(1)与所述封盖之间设置有一预设间隔；
与所述封盖固定连接的密封圈(3)；
与所述容器主体(1)固定连接的密封挡环(4)；
所述密封挡环(4)的端部与所述密封圈(3)的端部接触，且所述密封圈(3)通过所述密封档环(4)固定在所述预设间隔内部。
2.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于：
所述封盖包括：顶板(21)；
与所述顶板(21)边缘相连的外环形翻边(22)；
与所述顶板(21)边缘相连且与所述外环形翻边(22)垂直的挡板(23)；
所述顶板(21)、所述外环形翻边(22)和所述挡板(23)一体成型。
3.如权利要求2所述的密封结构，其特征在于：
所述密封挡环(4)为L型环状结构；
所述密封挡环(4)包括：密封挡环本体(41)；
与所述密封挡环本体(41)一体成型的内环形翻边(42)；
所述内环形翻边(42)的径向厚度与所述挡板(23)的厚度相同。
4.如权利要求2所述的密封结构，其特征在于：
所述密封圈(3)为环状结构且截面为D型；
所述密封圈(3)包括：平直段(31)，所述平直段(31)的一端与第一圆弧段(32)的一端连接；
所述第一圆弧段(32)的另一端与第二圆弧段(33)的一端相连，所述第二圆弧段(33)的另一端与第三圆弧段(34)的一端相连，所述第三圆弧段(34)的另一端与所述平直段(31)另一端相连。
5.如权利要求4所述的密封结构，其特征在于：
所述第一圆弧段(32)为半径为0.2mm～1.0mm的圆弧；
所述第二圆弧段(33)为半径为3mm～10mm的圆弧；
所述第三圆弧段(34)为半径为0.2mm～1.0mm的圆弧。
6.如权利要求5所述的密封结构，其特征在于：
所述第二圆弧段(33)与所述容器主体(1)内表面之间通过过盈配合的方式连接；
所述密封挡环本体(41)外表面与所述容器主体(1)内表面通过过盈配合的方式连接；
所述密封挡环本体(41)内表面与所述挡板(23)外表面通过过盈配合的方式连接。
7.如权利要求6所述的密封结构，其特征在于：
所述密封挡环本体(41)外表面与所述容器主体(1)内表面之间的过盈量大于所述密封挡环本体(41)内表面与所述挡板(23)外表面之间的过盈量；
所述密封挡环本体(41)内表面与所述挡板(23)外表面之间的过盈量大于所述第二圆弧段(33)与所述容器主体(1)内表面之间的过盈量。
8.如权利要求2所述的密封结构，其特征在于：
所述容器主体(1)内表面、所述挡板(23)外表面的粗糙度均不超过1.6μm，用于保证所述容器主体(1)的密封性。
9.一种密封结构组装方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8任一项所述的密封结构，包括：
步骤S1：将所述平直段(31)与所述挡板(23)外表面上部粘接并固化；
步骤S2：将所述的密封挡环本体(41)外表面与所述容器主体(1)内表面粘接；
步骤S3：在所述密封挡环本体(41)外表面与所述容器主体(1)内表面粘接且未固化时，将粘接有所述密封圈(3)的封盖与粘接有所述密封档环(4)的容器主体(1)过盈装配；
步骤S4：向下推动所述封盖，直至所述外环形翻边(22)的下表面与所述容器主体(1)接触，从而将所述密封档环(4)移至最终固定位置；
步骤S5：等待所述密封挡环本体(41)外表面与所述容器主体(1)内表面的胶固化。
10.如权利要求9所述的密封结构组装方法，其特征在于：
步骤S3中，粘接有所述密封圈(3)的封盖与粘接有所述密封档环(4)的容器主体(1)过盈装配时，所述外环形翻边(22)下表面位于所述容器主体(1)顶部0.2mm～0.5mm处。
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2023
- 2023-11-13 CN CN202311506734.2A patent/CN117386812A/zh active Pending
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