專利名稱：自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于旋轉(zhuǎn)軸的密封裝置，特別是一種用于高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)軸的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)。
在現(xiàn)代機械工業(yè)中，密封元件是應用最廣的基礎元件之一，對于旋轉(zhuǎn)密封而言，由于其特殊的應用場合，它應具有較小的摩擦系數(shù)、較長的使用壽命，以及應能滿足在高壓高轉(zhuǎn)速的條件下正常工件而不泄漏。現(xiàn)有技術(shù)中的旋轉(zhuǎn)密封主要有以下幾種(1)填塞型密封。如整環(huán)填料密封和盤根填料密封。壓力適用范圍1.3×103Pa-3.5×107Pa;線速度小于20m/s，缺點是壓力高時線速度低;摩擦力大;停車時有泄漏。
(2)擠壓型密封。如O型，D、X、△型密封等，其在3.5×107Pa壓力下，旋轉(zhuǎn)線速度小于0.05m/s;在0.7×106Pa壓力下，旋轉(zhuǎn)線速度可達3m/s。
(3)分剖型密封。如開口環(huán)和分辨環(huán)。其耐壓和旋轉(zhuǎn)線速度都可以很高(1.5×107Pa-2.2×108Pa;3m/s-100m/s)，但其屬于泄漏型密封。也就是說它在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和停車狀態(tài)都有泄漏，既污染了環(huán)境，也降低了效率。
(4)撓曲型密封。如唇形密封中V型、U型、Y型等油封。這類旋轉(zhuǎn)密封廣泛應用于各類旋轉(zhuǎn)機械中。其密封壓力最高可達10×107Pa，但最大的缺點是旋轉(zhuǎn)線速度低，如U型密封只有30-35mm/s的線速度。當油封在旋轉(zhuǎn)線速度4-15m/s范圍內(nèi)工作時，耐壓只有3-0.7×105Pa。


圖1a、1b和1c分別示出了三種不同的唇形密封的結(jié)構(gòu)，在圖1a中，密封環(huán)主要是由橡膠碗部分21和彈簧環(huán)22兩大部件組成，其密封機理是由橡膠碗部分21的唇端25自身的過盈配合壓力與彈簧圈22的環(huán)抱力加上工作介質(zhì)壓力P之和形成油封唇端與旋轉(zhuǎn)軸表面的接觸壓力，并由這一壓力來控制油膜厚度，從而達到密封的目的。但是，由于現(xiàn)有密封環(huán)上的腰部24比較單薄且對介質(zhì)壓力P有一個較寬的環(huán)形作用面積，而且材料大都采用彈性橡膠，因而當工作介質(zhì)壓力P升高時，使之產(chǎn)生彎曲變形，嚴重地破壞了密封機理，由于磨損或撕裂造密封失效而產(chǎn)生泄漏。為了提高使用壓力現(xiàn)有的密封采用了加強腰部24的措施見圖1b和1c中的金屬骨架23和23′。盡管如此其工作壓力也不過由圖1a中所示型式的3.5×105Pa提高到圖1b中所示型式的7×105Pa，最后只能提高圖1c所示型式的3.5×106Pa。
本發(fā)明的一個目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種能在高轉(zhuǎn)速下正常工作的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種摩擦系數(shù)小，使用壽命長且無泄漏的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種適用溫度范圍廣、結(jié)構(gòu)合理、加工方便而且成本較低的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，包括一密封碗和一裝在密封碗內(nèi)的O形圈，其特征在于所述密封碗具有一唇形開口，密封碗的橫截面具有一第一邊、第二邊、第三邊、第四邊、背壓邊、密封邊、倒角邊和唇形開口，所述的第二邊與靜止部件相接，第一邊和第三邊均與第二邊成直角，所述的密封邊與旋轉(zhuǎn)軸形成滑動接觸，背壓邊將第三邊和密封邊連接起來，且背壓邊與旋轉(zhuǎn)軸軸向表面成一較小的角度A，所述的唇形開口位于第一邊和第四邊之間，倒角邊將第四邊和密封邊連接起來且倒角邊與旋轉(zhuǎn)軸軸向表面成一較大的角度B，所述唇形開口內(nèi)的密封碗的中間設有一圓形腔，該圓形腔的垂直于旋轉(zhuǎn)軸表面的中心線位于密封邊的范圍內(nèi)，所述的O形圈為過盈裝配在唇形開口的圓形開口的圓形腔內(nèi)。所述的較小的角度A在0°＜A≤15°的范圍內(nèi)，所述的較大的角度B在20°≤B≤80°的范圍內(nèi)。所述的角度A近似等于5°，角度B近似等于45°。所述的密封碗由充填聚四氟乙烯制造，所述O形圈由橡膠材料制造。所述的O形圈是由丁腈橡膠或硅橡膠或聚氨酯制造。所述的用于制造密封碗的充填聚四氟乙烯的充填材料為二硫化鉬和銅粉。所述的充填材料二硫化鉬在0.1%-3%(wt)的范圍內(nèi)，銅粉在35%-65%范圍內(nèi)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，適用范圍廣，可同時滿足對旋轉(zhuǎn)密封高壓、高轉(zhuǎn)速的使用要求，在油壓壓力為2.5×107Pa時，旋轉(zhuǎn)軸的線速度可大于3m/s，而且沒有泄漏。同時適用溫度范圍大，在-40℃-+90℃的范圍內(nèi)都能正常工作。由于采用充填聚四氟乙烯材料(填料中有二硫化鉬和銅粉)，既提高了使用壽命，也降低了密封環(huán)的摩擦系數(shù)。而且加工和安裝都很方便。
下面參照附圖對本發(fā)明的最佳實施例做進一步的描述。
圖1a、1b和1c為現(xiàn)有技術(shù)中唇形密封環(huán)的三種不同的結(jié)構(gòu)形式的截面剖示圖;
圖2a、2b和2c為本發(fā)明的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)的截面剖示圖，圖2a、2b和2c依次表示了隨著壓力升高O形圈20發(fā)生受壓變形的情況;
圖3為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)密封用于旋轉(zhuǎn)軸32上的示意圖;
圖4為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)密封環(huán)的倒角邊6的位置發(fā)生改變的示意圖;
圖中密封碗的第一邊1;第二邊2;第三邊3;第四邊4;密封環(huán)的唇形開口5;倒角邊6、6a、6b;密封碗內(nèi)的圓形腔7;圓形腔的中心線8;密封碗10;自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)11;密封邊的寬度12;密封背壓腔14;密封環(huán)與襯環(huán)的結(jié)合面16(包括第二邊2和第三邊3);襯環(huán)17;密封碗內(nèi)圓形腔的圓心19;O形圈20;橡膠碗21;彈簧環(huán)22;金屬骨架23、23′;橡膠碗的腰部24;密封唇端25;O形圈變形區(qū)30;密封邊寬度標引線31;旋轉(zhuǎn)軸32;背壓邊40;密封邊50。
參見附圖2和3，特別是圖2b，圖中示出了本發(fā)明的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)的剖面結(jié)構(gòu)(局部)示意圖。該密封環(huán)11包括密封碗10和O形圈20兩部分，而密封碗20具有一個第一邊1、第二邊2、第三邊3、第四邊4、唇形開口5、倒角邊6、圓形腔7、背壓邊40和密封邊50。該密封碗10上沒有普通橡膠碗上的腰部和密封唇端(現(xiàn)有技術(shù)中是外軟內(nèi)硬)，而是根據(jù)壓力平衡的原理，采用密封碗加O形圈的形式(外硬內(nèi)軟)，并設計有倒角邊6將壓力油P引入第四邊4下面，從而使壓力油P在倒角邊6上產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)軸徑向向上的作用力，以抵消壓力油P作用在唇形開口內(nèi)表面上產(chǎn)向的徑向向下的作用力的大部分。背壓邊40與旋轉(zhuǎn)軸軸向表面的直線的夾角A在0°＜A≤15°的范圍內(nèi)，倒角邊6與旋轉(zhuǎn)軸軸向表面直線的夾角B在25°≤B≤80°的范圍同。一般取角A為5°左右，角B為45°左右。所述的第二邊平行于軸向表面并環(huán)繞著旋轉(zhuǎn)軸32，第一邊1、第三邊3和第4邊4都垂直于旋轉(zhuǎn)軸表面。密封碗10內(nèi)的圓形腔7用于安裝O形圈20，其中心線的位置，特別是垂直于旋轉(zhuǎn)軸軸向表面(沿徑向)的中心線8的位置非常重要，該中心線8應位于密封邊50的寬度12內(nèi)，在本實施例中，該中心線8基本上穿過倒角邊與密封邊的結(jié)合點。
本發(fā)明中的密封碗10采用的是充填聚四氟乙烯材料，其充填材料為二硫化鉬和銅粉，其中二硫化鉬占0.1%-3%(wt)左右，銅粉占35%-65%(wt)左右，其余為聚四氟乙烯，因此該密封碗具有高強度、高耐磨性、良好的導熱性和很低的摩擦系數(shù)。過盈安裝在密封碗10內(nèi)圓形腔7中的彈性O形圈20采用橡膠(根據(jù)所使用的介質(zhì)可采用丁腈橡膠、氟橡膠或硅橡膠)或聚胺脂制造。
本發(fā)明的密封環(huán)的密封機理是(見圖2a、2b和2c)當工作介質(zhì)沒有壓力或壓力P較低時(圖2a)，密封是靠密封碗10的密封邊50與軸表面的裝配過盈力和彈性O形密封圈20的徑向過盈力之和來達到密封所需要的比壓，從而起到密封作用。當工作介質(zhì)壓力P逐漸升高時，彈性O形密封圈20在壓力P的作用力下壓縮變形(見圖2b、2c)，隨著壓力P的升高，變形量30也越大。由于作用在唇形開口內(nèi)表面工作徑向向下的作用力是略大于倒角邊表面上產(chǎn)生的徑向向上的作用力，即上、下壓力基本平衡。這樣，無論壓力P升高或降低都不會產(chǎn)生使密封邊變形的力矩。因而始終保持其密封機理的健全，達到高壓高速實現(xiàn)密封的目的。這一壓力平衡結(jié)構(gòu)可以使整個密封邊的比壓保持在一個既能保持密封又不至產(chǎn)生過大比壓值的最佳值。
參見圖4，圖4中給出三種不同的密封邊與倒角邊6的結(jié)合點K的位置。K1為本發(fā)明最佳實施例中的位置，其相應的倒角邊6。當采用K2點時，倒角邊為6a，此時角B變大。當壓力P升高時，由于倒角邊6a在軸表面的投影面積減小，所產(chǎn)生的徑向向上的作用力不足以抗衡唇形開口內(nèi)表面上產(chǎn)生的徑向向下的作用力，密封比壓增加，密封性很好，但密封邊與旋轉(zhuǎn)軸表面在高轉(zhuǎn)速時磨損加快，密封壽命降低。當采用K3點時，倒角邊為6b，此時B角變小，情況與K2點正好相反，倒角邊6b在軸表面上的投影面積增大，油壓P升高后，所產(chǎn)生的徑向向上的作用力大于唇形開口內(nèi)表面上產(chǎn)生的徑向向下的作用力。密封比壓下降，密封性不好，甚至發(fā)生泄漏。因此K1點為保持理想比壓的最佳點。根據(jù)本發(fā)明，應使密封碗內(nèi)圓形腔的中心線8落在密封邊的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例，該中心線8與K1點是基本重合的。
權(quán)利要求
1.一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，包括一密封碗和一裝在密封碗內(nèi)的O形圈，其特征在于所述密封碗具有一唇形開口，密封碗的橫截面具有一第一邊、第二邊、第三邊、第四邊、背壓邊、密封邊、倒角邊和唇形開口，所述的第二邊與靜止部件相接，第一邊和第三邊均與第二邊成直角，所述的密封邊與旋轉(zhuǎn)軸形成滑動接觸，背壓邊將第三邊和密封邊連接起來，且背壓邊與旋轉(zhuǎn)軸軸向表面成一較小的角度A，所述的唇形開口位于第一邊和第四邊之間，倒角邊將第四邊和密封邊連接起來且倒角邊與旋轉(zhuǎn)軸軸向表面成一較大的角度B，所述唇形開口內(nèi)的密封碗的中間設有一圓形腔，該圓形腔的垂直于旋轉(zhuǎn)軸表面的中心線位于密封邊的范圍內(nèi)，所述的O形圈為過盈裝配在唇形開口的圓形開口的圓形腔內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，其特征在于所述的較小的角度A在0°＜A≤15°的范圍內(nèi)，所述的較大的角度B在20°≤B≤80°的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，其特征在于所述的角度A近似等于5°，角度B近似等于45°。
4.如權(quán)利要求1所述的一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，其特征在于所述的密封碗由充填聚四氟乙烯制造，所述O形圈由橡膠材料制造。
5.如權(quán)利要求4所述的一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，其特征在于所述的O形圈是由丁腈橡膠或硅橡膠或聚氨酯制造。
6.如權(quán)利要求4所述的一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，其特征在于所述的用于制造密封碗的充填聚四氟乙烯的充填材料為二硫化鉬和銅粉。
7.如權(quán)利要求6所述的一種自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)，其特征在于所述的充填材料二硫化鉬在0.1%-3%(wt)的范圍內(nèi)，銅粉在35%-65%范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高速旋轉(zhuǎn)軸的自平衡組合式高壓旋轉(zhuǎn)密封環(huán)。它包括一由充填聚四氟乙烯制的密封碗和由橡膠或聚胺酯制成的裝于密封碗內(nèi)的O形圈。所述的密封碗具有一唇形開口，其內(nèi)設有一安裝上述O形圈的圓形腔，密封碗的橫截面具有第一邊、第二邊、第三邊、第四邊、背壓邊、密封邊和倒角邊。因此本發(fā)明的密封環(huán)可在高壓高速的工作場合中使用，而且具有摩擦力小、壽命長的優(yōu)點。
文檔編號F16J15/16GK1090634SQ9312002
公開日1994年8月10日 申請日期1993年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月16日
發(fā)明者綦建前, 揚榮, 劉靜, 王化川, 黃力軍 申請人:冶金工業(yè)部自動化研究院