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CN113236782B - 一种耐高压低摩擦的动密封结构 - Google Patents

一种耐高压低摩擦的动密封结构 Download PDF

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CN113236782B CN202110473535.0A CN202110473535A CN113236782B CN 113236782 B CN113236782 B CN 113236782B CN 202110473535 A CN202110473535 A CN 202110473535A CN 113236782 B CN113236782 B CN 113236782B
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Abstract

本发明涉及一种动密封结构，具体涉及一种耐高压低摩擦的动密封结构。本发明的目的是解决现有动密封结构存在因挤压处密封区域面积受限，导致密封性较差的技术问题。该动密封结构的改进之处在于：转动轴包括转动轴大端和转动轴小端；转动轴大端位于密封轴套内，转动轴小端从第一通孔伸出密封轴套；轴承设置于所述底板与旋转轴大端之间，并通过底板与旋转轴大端上设置的安装槽固定；所述转动轴大端端面设有盲孔，盲孔孔壁为球面形b；所述顶杆大端的下端面为球形端面a且伸入所述盲孔内；所述盲孔孔壁上沿圆周方向设置有至少一个切向隔离带；每个小区域内设置一个密封圈。

Description

一种耐高压低摩擦的动密封结构
技术领域
本发明涉及一种动密封结构，具体涉及一种耐高压低摩擦的动密封结构。
背景技术
旋转关节要求机械连接处在保证一定气密性和摩擦力矩的前提下实现相对旋转运动，其核心技术为动密封技术。动密封技术一般是在密封区域通过对密封材料(通常为聚四氟乙烯)的挤压变形来实现密封，密封材料变形越剧烈，密封性越好，但是摩擦力矩会增大。所以，密封性和摩擦力矩存在相互制约关系，也正因如此，动密封技术一直是工程实际中的难点。
常见的动密封结构如图1所示，包括密封轴套01、压紧螺母02、顶杆03、转动轴04、两个轴承05和密封单元06；密封轴套01包括套筒011和底板012，底板012中心设有第一通孔，套筒011远离底板012的一端设有内螺纹，压紧螺母02侧壁上设有与所述内螺纹配合的外螺纹，压紧螺母02中心设有第一轴向通孔；所述顶杆03和转动轴04内均设有第二轴向通孔，气流f在第二轴向通孔内流动；所述顶杆03包括顶杆大端031和顶杆小端；所述转动轴04中段设有两个凸台，两个轴承05分别套设在转动轴04下端凸台的两侧；所述顶杆大端031位于密封轴套01内，顶杆小端从第一轴向通孔伸出密封轴套01；转动轴04下端从第一通孔伸出密封轴套01；顶杆大端031的下端和转动轴04上端形成端面密封；所述密封单元06设置于套筒011内壁与转动轴04上段之间，包括多个间隔设置的聚四氟乙烯材质的密封垫圈061和金属垫圈062。压紧螺母02上端面设有开口槽，使用专用螺刀通过开口槽来调节压紧螺母02，实现力的传递，在压紧螺母02的作用下，金属垫圈062挤压聚四氟乙烯密封垫圈061变形，顶杆大端031的下端面和转动轴04上端面相互挤压、接触，以减少间隙或者消除间隙，起到密封的作用，同时转动轴04可转动。图2为该动密封结构的密封路径示意图，A代表密封垫圈061，B代表密封垫圈061受到的挤压力，C代表漏气路径，因密封垫圈061的密封路径长度l较短，导致挤压密封区域面积有限，即密封垫圈061与转动轴04上段侧壁和套筒011内壁的接触面积有限，从而导致密封性较差。
发明内容
本发明的目的是解决现有动密封结构存在因挤压处密封区域面积受限，导致密封性较差的技术问题，提供一种耐高压低摩擦的动密封结构。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种耐高压低摩擦的动密封结构，包括：密封轴套、压紧螺母、顶杆、转动轴、轴承和密封单元；密封轴套包括套筒和底板，底板中心设有第一通孔，套筒远离底板的一端设有内螺纹；压紧螺母上端面设有开口槽，中心设有第一轴向通孔，侧壁上设有与所述内螺纹配合的外螺纹；所述顶杆和转动轴内均设有第二轴向通孔；所述顶杆包括顶杆大端和顶杆小端，顶杆大端位于密封轴套内，顶杆小端从第一轴向通孔伸出密封轴套；其特殊之处在于：
所述转动轴包括转动轴大端和转动轴小端；所述转动轴大端位于密封轴套内，转动轴小端从第一通孔伸出密封轴套；所述轴承设置于所述底板与旋转轴大端之间，并通过底板与旋转轴大端上设置的安装槽固定位置；所述转动轴大端端面设有盲孔，盲孔孔壁为球面形b；所述顶杆大端的下端面为球形端面a且伸入所述盲孔内；
所述盲孔孔壁上沿圆周方向设置有至少一个切向隔离带，切向隔离带与球形端面a之间设有间隙c，切向隔离带将盲孔孔壁与顶杆大端球形端面a之间的区域分为多个小区域；
所述密封单元包括多个密封圈；每个密封圈设置于一个所述小区域内；所述密封圈与盲孔孔壁和顶杆大端球形端面a之间的接触均为面接触。
进一步地，还包括弹性垫圈；
所述弹性垫圈设置于压紧螺母与顶杆大端之间；
所述弹性垫圈上设有第二通孔，所述顶杆小端穿过第二通孔。
进一步地，所述密封圈为聚四氟乙烯材质。
进一步地，所述密封圈沿所述球形端面a径向方向的厚度均为0.3～0.5mm。
进一步地，为了提高密封性能，所述切向隔离带有多个。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的耐高压低摩擦的动密封结构，通过顶杆大端球形端面a的曲面结构，相比现有技术的直面结构，延长了密封区域的密封路径，从而提高了密封性能。
2、本发明提供的耐高压低摩擦的动密封结构，在压紧螺母与顶杆大端之间设置了弹性垫圈，增加了密封圈的调节步长，提高密封区装配精度，改善了摩擦力矩调节的精度。
3、本发明提供的耐高压低摩擦的动密封结构，在盲孔孔壁上沿圆周方向设置至少一个切向隔离带，利用切向隔离带将盲孔孔壁与顶杆大端球形端面a之间的区域分为多个小区域，并在每个小区域中设置了一个密封圈，从而实现了层级密封，消除各个密封区域(设置了密封圈的各个小区域)之间的相互影响。
4、本发明提供的耐高压低摩擦的动密封结构，采用切向隔离带，可以限制密封圈在球形端面a处的切向变形，从而防止密封圈因长期蠕变而造成密封不良。
5、相比于现有动密封结构是通过轴向挤压，间接实现径向接触而密封，会导致因压力传递不均匀而导致摩擦力大小不一致难以控制的现象，往往局部摩擦力过大，本发明的动密封结构采用直接径向挤压密封，挤压力在球面处很均匀，即摩擦力分布均匀一致，能够避免局部过应力的现象，从而实现低摩擦密封。
附图说明
图1为现有动密封结构的结构示意图；
图2为现有动密封结构的密封路径示意图，图中A代表密封垫圈，B代表密封垫圈受到的挤压力，C代表漏气路径，l代表密封路径；
图3为本发明耐高压低摩擦的动密封结构的结构示意图；
图4为本发明耐高压低摩擦的动密封结构转动轴的结构示意图；
图5为本发明耐高压低摩擦的动密封结构的密封路径示意图，A’代表密封圈，B’代表密封圈受到的挤压力，C’代表漏气路径，s代表密封路径；
附图标记说明：
现有技术(图1至图2)中：
01-密封轴套、011-套筒、012-底板、02-压紧螺母、03-顶杆、031-顶杆大端、04-转动轴、05-轴承、06-密封单元、061-密封垫圈、062-金属垫圈；
本发明(图3至图5)中：
1-密封轴套、11-套筒、12-底板、2-压紧螺母、3-顶杆、31-顶杆大端、4-转动轴、41-盲孔、5-轴承、6-密封单元、61-密封圈、7-切向隔离带、8-弹性垫圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种耐高压低摩擦的动密封结构，如图3和4所示，包括：密封轴套1、压紧螺母2、弹性垫圈8、顶杆3、转动轴4、轴承5和密封单元6；密封轴套1包括套筒11和底板12，底板12中心设有第一通孔，套筒11远离底板12的一端设有内螺纹；压紧螺母2上端面设有开口槽，侧壁上设有与所述内螺纹配合的外螺纹，中心设有第一轴向通孔；所述顶杆3和转动轴4内均设有第二轴向通孔；所述顶杆3包括顶杆大端31和顶杆小端；顶杆大端31位于密封轴套1内，顶杆小端从第一轴向通孔伸出密封轴套1；所述转动轴4包括转动轴大端和转动轴小端；所述转动轴大端位于密封轴套1内，转动轴小端从第一通孔伸出密封轴套1；所述轴承5设置于所述底板12与旋转轴大端之间，并通过底板12与旋转轴大端上设置的安装槽固定位置；所述转动轴4大端端面设有盲孔41，盲孔41孔壁为球面形b；所述顶杆大端31的下端面为球形端面a且伸入所述盲孔41内；所述盲孔41孔壁上同一纬度位置沿圆周方向设置有切向隔离带7，切向隔离带7与球形端面a之间设有间隙，切向隔离带7将盲孔41孔壁与顶杆大端31球形端面a之间的区域分为区域E和区域F；所述密封单元6包括第一密封圈和第二密封圈；所述第一密封圈设置于区域E内；所述第二密封圈设置于区域F内，密封圈61与盲孔41孔壁和顶杆大端31球形端面a之间的接触均为面接触。当然，切向隔离带7也可以设置多个，将盲孔41孔壁与顶杆大端31球形端面a之间的区域分为多个小区域，每个小区域内放置一个密封圈61。所述密封圈61采用聚四氟乙烯材质，密封圈61沿所述球形端面a径向方向的厚度均为0.3～0.5mm。所述弹性垫圈8设置于压紧螺母2与顶杆大端31之间；所述弹性垫圈8上设有第二通孔，顶杆小端穿过第二通孔。
实际工作中，转动轴4相对于密封轴套1以及其他部件可以相对转动，通过调节压紧螺母2，实现第一密封圈与第二密封圈的变形，在球面接触处形成密封，具体密封路径如2中箭头所示。摩擦力矩主要来自于第一密封圈和第二密封圈与顶杆大端31球形端面a处的动摩擦。
本发明采用球面形曲面(球面形b)路径，解决了现有动密封直面路径导致密封区域面积有限的问题。如图2所示，现有动密封结构的密封区域密封路径为l，如图5所示，采用本发明球面形曲面之后有效的密封路径为s，因l＝r，本发明的密封路径为s＝πr/2，即在相同体积条件下，本发明采用曲面接触之后，有效密封路径为现有密封路径的s/l＝π/2倍，延长了约57％，极大地增强了密封的可靠性。
本发明主要的改进点有以下几点：
1、多级密封圈61设置
如图2所示，通过在盲孔41孔壁上沿圆周方向设置切向隔离带7将密封区域分为多个小区域，在每个小区域中设置一个密封圈61，形成2级以上的密封区域，进一步提高密封的可靠性。一方面，分隔密封区域，可以避免零件的整体误差性，防止局部零件精度影响整体零件的精度，另一方面，可以使得相互独立的密封圈61受力更加均匀，提高零件的机械磨损可靠性，通过层级密封，保证密封性。
2、设置圆周方向设置切向隔离带7
动密封的实现是靠密封圈61的挤压变形来实现的，密封圈61的切向变形会释放变形，变形沿着切向蠕变，会降低密封效果，只有密封圈61的径向变形才能保证密封效果。如图4所示，沿圆周方向设置切向隔离带7，可以保证密封圈61在径向挤压变形，限制其切向方向的变形。
3、设置弹性垫圈8，提高调节精度
动密封的实现是靠密封圈61的挤压变形实现的，由于采用聚四氟乙烯材质的密封圈61材料弹性模量很大，且厚度很薄(一般为0.3～0.5mm)，造成调节精度较低，几乎为刚性变形。设置弹性垫圈8，可以间接提高挤压变形的步长，提高调节精度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种耐高压低摩擦的动密封结构，包括：密封轴套(1)、压紧螺母(2)、顶杆(3)、转动轴(4)、轴承(5)和密封单元(6)；密封轴套(1)包括套筒(11)和底板(12)，底板(12)中心设有第一通孔，套筒(11)远离底板(12)的一端设有内螺纹；压紧螺母(2)上端面设有开口槽，中心设有第一轴向通孔，侧壁上设有与所述内螺纹配合的外螺纹；所述顶杆(3)和转动轴(4)内均设有第二轴向通孔；所述顶杆(3)包括顶杆大端(31)和顶杆小端，顶杆大端(31)位于密封轴套(1)内，顶杆小端从第一轴向通孔伸出密封轴套(1)；其特征在于：
所述转动轴(4)包括转动轴大端和转动轴小端；所述转动轴大端位于密封轴套(1)内，转动轴小端从第一通孔伸出密封轴套(1)；所述轴承(5)设置于所述底板(12)与旋转轴大端之间，并通过底板(12)与旋转轴大端上设置的安装槽固定位置；所述转动轴(4)大端端面设有盲孔(41)，盲孔(41)孔壁为球面形b；所述顶杆大端(31)的下端面为球形端面a且伸入所述盲孔(41)内；
所述盲孔(41)孔壁上沿圆周方向设置有至少一个切向隔离带(7)，切向隔离带(7)与球形端面a之间设有间隙c，切向隔离带(7)将盲孔(41)孔壁与顶杆大端(31)球形端面a之间的区域分为多个小区域；
所述密封单元(6)包括多个密封圈(61)；每个密封圈(61)设置于一个所述小区域内；所述密封圈(61)与盲孔(41)孔壁和顶杆大端(31)球形端面a之间的接触均为面接触。
2.根据权利要求1所述的耐高压低摩擦的动密封结构，其特征在于：
还包括弹性垫圈(8)；
所述弹性垫圈(8)设置于压紧螺母(2)与顶杆大端(31)之间；
所述弹性垫圈(8)上设有第二通孔，所述顶杆小端穿过第二通孔。
3.根据权利要求1或2所述的耐高压低摩擦的动密封结构，其特征在于：
所述密封圈(61)为聚四氟乙烯材质。
4.根据权利要求3所述的耐高压低摩擦的动密封结构，其特征在于：
所述密封圈(61)沿所述球形端面a径向方向的厚度均为0.3～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的耐高压低摩擦的动密封结构，其特征在于：
所述切向隔离带(7)有多个。
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