一种离心辅助密封的高速轴系的制作方法

1.本发明属于机械传动与密封领域，具体涉及一种离心辅助密封的高速轴系。


背景技术：

2.高速转子设计过程中，需重点考虑轴系的转子动力学设计，一般为获得较高的一阶临界转速，需严格控制轴头法兰端面与附近支撑轴承中心的距离，并严格控制轴头法兰及外挂质量，并且高速转子密封处的线速度一般可以达到50-70m/s。综合以上原因，高速转子密封设计往往受到空间局促、高线速度限制，并且还需克服轴头法兰高速运转带来负压的不利影响，这就给高速转子的密封设计带来了挑战。
3.目前，应用在高速转子的密封结构有接触式密封与非接触式密封。接触密封具备泄露量小等优点，但其会带来磨损、发热等不利影响：应用的极限线速度受密封材料限制，目前最高应用的限速度为50m/s左右，同时使用温度也受密封材料限制，并且对轴的表面硬度及光洁度有要求，接触密封在使用寿命、使用成本等方面有限制；非接触密封对使用温度及轴表面硬度及光洁度要求低，其使用温度及密封的寿命几乎不受限制，但其密封设计复杂，一般对泄漏量要求严格的非接触密封往往需引入气膜或液膜来实现更好的密封效果，从而进一步增加了设计复杂程度。
4.目前对于密封处线速度超过50m/s的高速转子，一般采用非接触密封，实际应用中发现采用常规非接触密封设计的高速轴系在速度相对较低时，非接触密封泄漏量较少，但随着应用的速度进一步升高，由于轴头法兰高速运转带来负压的影响，泄漏量增大。若引入气膜或液膜来辅助非接触密封会提高密封效果，但会增加结构复杂程度，提高使用成本及降低维护性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于利用利用离心作用，结合伯努利原理设计通风口，通过简单可靠的离心辅助密封结构，提高回油通畅性，缓解轴头法兰与密封处之间负压影响一种离心辅助密封的高速轴系。
6.一种离心辅助密封的高速轴系，包括静止结构组件和高速转子组件。所述静止结构组件包括后支点轴承衬套、后支点轴承外环压环、闷盖、轴承外环喷油隔环、前支点轴承衬套前支点轴承外环压环和非接触密封，后支点轴承衬套在后支点轴承外环压环上，前支点轴承衬套在前支点轴承外环压环上，所述高速转子组件包括齿轮轴、支撑主轴轴承、轴承内环隔环、中心离心通风孔堵头、后支点轴承锁紧螺母组件、轴头法兰、轴头法兰锁紧螺母和甩油环，配磨轴承内环隔环与轴承外环喷油隔环使4个支撑主轴轴承两两o型配对，轴头法兰附近的前支点轴承组在轴头法兰锁紧螺母、甩油环、前支点轴承外环压环的夹紧作用下限制轴向移动，轴头法兰在轴头法兰锁紧螺母的压紧力下进行轴向推进，通过锥配合实现与齿轮轴的高精度连接，将轴头法兰外径设置为密封面。
7.进一步地，所述高速转子组件中心上设置有中心通风孔，前后均用螺堵进行密封；
多个内径为d1的排出通风口均布在人字齿中建的退刀槽轴肩处，外径d1在排出通风口沿旋转方向的后侧有半径为r的搅风槽。
8.进一步地，所述搅风槽加强离心效应，搅风槽内部的i区域为低压区，排出通风口在i区压力最低区域，中心通风孔内的油气混合物在负压作用下被吸出，吸出的油气混合物同时可辅助冷却齿轮。
9.本发明的有益效果在于：
10.在不引入气膜或液膜来辅助非接触密封的情况下，利用离心作用结合伯努利原理设计通风口，实现油气混合物排出与吸入通风口处压差，平衡一部分的轴头法兰与密封处之间负压，增加了密封腔处的油气混合物的回流速度，进一步提高了目前成熟设计的非接触密封的最高使用线速度；通过合理的设计，如将排出通风口抽出的油气混合物引至齿轮或轴承润滑处，可辅助齿轮的冷却与润滑；通过合理的设计，如将吸入通风口布置在如距离较近的轴承之间的喷油腔内，有利于难回油位置的回油，减少轴承搅油损耗；在高速转子轴上集成设计离心通风孔，设计简单，无需增加复杂结构零件。
附图说明
11.图1是本发明一种离心辅助密封的高速轴系图；
12.图2为人字齿退刀槽处离心通风孔的剖面图；
13.图3为主轴轴承中间喷油腔处的离心通风孔的剖面图；
14.图4为高速转子非接触密封回油腔的离心通风孔的剖面图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明做进一步描述。
16.图1展示了一种高速轴系的离心辅助密封设计在主轴轴承支撑的人字齿高速轴系上的应用，其由静止结构组件10、高速转子组件20组成。其中静止结构组件10一般由后支点轴承衬套11、后支点轴承外环压环12、闷盖13、轴承外环喷油隔环14、前支点轴承衬套15、前支点轴承外环压环16、非接触密封17组成；高速转子组件20一般由齿轮轴21、支撑主轴轴承22、轴承内环隔环23、中心离心通风孔堵头24、后支点轴承锁紧螺母组件25，轴头法兰26、轴头法兰锁紧螺母27、甩油环28等组成。通过配磨轴承内环隔环23与轴承外环喷油隔环，实现4个支撑主轴轴承22两两o型配对，其中轴头法兰26附近的前支点轴承组在轴头法兰锁紧螺母27、甩油环28、前支点轴承外环压环16的夹紧作用下限制轴向移动，而后支点轴承组整体并未做轴向限位，整体处于可轴向游动状态，从而适应高速转子由于高温引起的轴向热膨胀。轴头法兰26在轴头法兰锁紧螺母27的压紧力下进行轴向推进，通过锥配合实现与齿轮轴21的高精度连接。将轴头法兰26外径设置为密封面，非接触密封17与其形成可靠的非接触密封，整个轴系结构紧凑。其中轴头法兰26与附近轴承组支点的距离l2及与非接触密封17的l1为重要设计参数：轴头法兰26与非接触密封17之间ⅲ区域由于离心作用形成负压区，l1越小离心作用越严重，l1过大会压缩密封及回油的设计空间；为提高高速转子组件20的临界转速，控制合理的l2，l2过小也会进一步压缩密封及回油的设计空间。
17.图2为高速转子组件20人字齿退刀槽处离心通风孔处的a-a剖面图，展示了此处排油气混合物处通风孔的布置情况：中心通风孔210内径d0，布置在高速转子中心，有利于加
工制造，前后均用螺堵24进行密封；多个内径为d1的排出通风口211均布在人字齿中建的退刀槽轴肩处，外径d1，在排出通风口211沿如图旋转方向的后侧有半径为r的搅风槽212，搅风槽212加强离心效应，搅风槽212内部的i区域为低压区，排出通风口211在i区压力最低区域，中心通风孔210内的油气混合物在负压作用下被吸出，吸出的油气混合物同时可辅助冷却齿轮。
18.图3为高速转子组件20高速转子非接触密封回油腔离心通风孔处的b-b剖面图，展示了此处吸油气混合物处通风孔的布置情况：多个内径为d2吸入通风口213均布在甩油环28附近的密封回油腔ⅱ处，甩油环28开孔处外径为d2，d2＜d1，ⅱ区域离心效应弱，整体压力高于搅风槽212内部的i区域，从而ⅲ区的油气混合物在压差作用下向排出通风口211流动，加强了ⅱ区回油效果。随着高速转子组件20的角速度增大，搅风槽212加强离心效应增强，吸入通风口213与排出通风口211的压差增大，同时平衡掉一部分轴头法兰26与非接触密封17之间ⅳ区域的离心效应，从而使整个高速转子组件20适应更高的转速。
19.图4为高速转子组件20在主轴轴承中间喷油腔处的离心通风孔处的c-c剖面图，展示了此处吸油气混合物处通风孔的布置情况；多个内径为d3吸入通风口214均布在两支撑主轴轴承22之间的喷油腔ⅲ区域，轴承内环隔环23开孔处外径为d3，d3＜d1，ⅲ区域离心效应弱，整体压力高于搅风槽212内部的i区域，从而ⅲ区的油气混合物在压差作用下向排出通风口211流动，，有利于ⅲ区难回油位置的回油，减少轴承搅油损耗。
20.本发明提供一种离心辅助密封高速轴系，旋转轴内部设计离心通风孔，利用离心作用，结合伯努利原理在高速转子上设计离心通风通道，其中密封腔、回油腔等处的油气混合物吸入通风口处回转半径较小，且无严重空气离心效应，附近空间压力较大；而排出通风口位于较大回转半径的轴肩等处，且设计凹槽增加空气离心效应，附近空间压力较小，从而实现油气混合物排出与吸入通风口处的压差，将密封腔、回油腔等处的油气混合物排到压力更小的通风口处，提高回油通畅性，缓解轴头法兰与密封处之间负压影响，进一步提高目前成熟设计的非接触密封的最高使用线速度。
21.综上所述，本发明提供了一种离心辅助密封的高速轴系，利用离心作用，结合伯努利原理设计通风口，实现油气混合物排出与吸入通风口处压差，平衡一部分的轴头法兰与密封处之间负压，增强了非接触密封腔与距离较近的轴承之间的喷油腔的油气混合物的回流速度，进一步提高目前成熟设计的非接触密封轴系的最高使用速度，并降低了其非接触密封的泄漏量，实现简单、可靠、经济的非接触密封。
22.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。