大型高速土工离心机主轴动密封结构的制作方法

本发明属于土工离心机技术领域，具体涉及大型高速土工离心机主轴动密封结构。

背景技术：

在岩土工程领域，土工离心模型试验是将缩比土工模型(各方向尺寸均为原形土体的1/n)置于高速旋转的土工离心机中，利用n倍于重力加速度(又称ng)的离心力场作用，再现原形土体的应力状态(相关资料参见:贾普照.稳态加速度模拟实验设备—离心机概论及设计[m].北京：国防工业出版社,2013)。近年来，土工离心机的规模越来越大，能实现的离心加速度也越来越高,大规模、高加速度的离心机被称为大型高速土工离心机。大型高速土工离心机在高g值下运行时，会因空气对高速旋转件的阻力而消耗大量的能量，为减小能量消耗，可对离心机机室抽真空，以降低离心机的驱动功率。由于低气压对某些试验结果有一定的影响，离心机机室抽真空多用于高速试验工况，离心机更多时间是在常气压下运行。

为实现离心机机室抽真空，除对机室各处进行静密封设计外，还要对支承离心机旋转件的主轴进行动密封设计，以防止主轴轴承箱内的润滑油和空气在机室真空下被抽进机室。大型高速土工离心机主轴动密封的难点在于：主轴直径过大，往往超过500mm，甚至超过1000mm；密封处最大线速度高，往往超过20m/s,这使得许多密封方式无法使用；由于支承的旋转件质量太大，不允许密封件频繁更换，因此对密封件的寿命要求很高；既要实现短时间运行下的真空动密封，又需在常压下实现油封；土工离心机属试验设备，需要频繁起停。因为以上难点，限制了传统密封产品的使用，否者会出现密封效果不好或者工作寿命很短的情况。

为了解决以上问题我方研发出了一种大型高速土工离心机主轴动密封结构。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种大型高速土工离心机主轴动密封结构。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

大型高速土工离心机主轴动密封结构，包括：

螺旋密封结构；螺旋密封结构由主轴和静环组成，主轴和静环间设置有间隙，在主轴轴环外径侧面设置有多头矩形螺纹，在离心机工作时，多头矩形螺纹用于向下驱赶密封介质；

填料密封结构；填料密封结构由主轴、压盖、填料组成，填料为环状结构，在主轴轴环端面设有与填料结构吻合的环槽，填料置于环槽中；在填料上方设置有一用于压紧填料的圆环形压盖；

多道迷宫密封结构；迷宫密封结构由动环和静环配合组成，动环固定套装在主轴上并与主轴一起旋转。

具体地，动环的内侧部分位于主轴轴环下部，动环的外侧部分位于静环的内侧部分下部，静环的外侧部分位于动环的外侧部分的外侧；压盖的内侧部分位于主轴轴环的上部，压盖的外侧部分位于静环的上部；静环的外侧部分通过多个沿其圆周方向均匀布设的第二螺钉安装在机架上；压盖通过多个沿其圆周方向均匀布设的第一螺钉安装在静环上；压盖上设置有多个沿其圆周方向均匀布设的用于压盖与填料的压紧和松开调节的压紧机构，压紧机构穿过压盖后连接在静环上，压紧机构距离压盖的侧边的距离长于第一螺钉距离压盖的侧边的距离。

优选地，第一螺钉为起顶螺钉。

优选地，压紧机构包括：限位螺母、压紧螺母、垫片、弹簧、t型螺栓；t型螺栓的头部固定置于静环内，t型螺栓的螺杆部分穿过压盖设置，压紧螺母旋入t型螺栓的螺杆部分，限位螺母旋入t型螺栓的螺杆部分且置于压紧螺母的上部，垫片套在压紧螺母下部的t型螺栓的螺杆部分上；弹簧套装在t型螺栓的螺杆部分上，且置于垫片与压盖之间；限位套套装在t型螺栓的螺杆部分上。

进一步地，在压盖上沿其圆周方向均匀布设多个圆弧槽，一个t型螺栓的螺杆部分对应卡入一个圆弧槽中；静环上沿其圆周方向均匀布设多个t型槽，一个t型螺栓的头部对应地卡入一个t型槽中。

优选地，填料为硬石墨材料、软石墨编织材料或聚四氟乙烯材料。

优选地，在静环上设置多道用于防止转动件间隙泄漏密封介质的静态密封条。

本发明的有益效果在于：

本发明的大型高速土工离心机主轴动密封结构：

1.适应性强，包括多道迷宫密封结构、一道螺旋密封结构和一道填料密封结构的组合密封方式，既能适用于真空动密封，又能在常压下实现油封。

2.使用寿命长，其存在磨损的填料密封可通过第一螺钉、压紧机构和压盖组合的结构按需开启，只在离心机机室抽真空的少数时间下使用。

3.真空动密封可靠性强，设计带弹簧的压紧机构，保证填料被磨损后，压盖依然能压紧填料。

4.压紧机构更换和切换操作简单，在压盖和静环上分别设置与压紧机构对应的圆弧槽及t型槽，便于压紧机构更换；压紧机构设计限位套，从而保证各压紧机构弹簧的压缩量一致，进而减小了人工操作难度。

附图说明

图1为本发明的安装结构示意图；

图2为本发明的部分剖面结构示意图；

图3为本发明中填料密封结构、螺旋密封结构和迷宫密封结构的结构示意图；

图4为本发明中的局部结构详图；

图5为本发明中压紧机构的结构示意图；

图6为本发明中动环的结构示意图；

图7为本发明中压盖的结构示意图；

图8为本发明中静环的结构示意图。

图中：1、填料密封结构；11、填料；12、压盖；121、圆弧槽；13、压紧机构；131、限位螺母；132、压紧螺母；133、垫片；134、弹簧；135、t型螺栓；136、限位套；14、第一螺钉；2、螺旋密封结构；21、静环；22、第二螺钉；3、迷宫密封结构；31、动环；311、环槽；312、多头矩形螺纹；32、静态密封条；4、主轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1，如图1、图2、图3、图4、图6、图7、图8所示，

大型高速土工离心机主轴4动密封结构，包括：

螺旋密封结构2；螺旋密封结构2由主轴4和静环21组成，主轴4和静环21间设置有间隙，在主轴4轴环外径侧面设置有多头矩形螺纹312，在离心机工作时，多头矩形螺纹312用于向下驱赶密封介质；

填料密封结构1；填料密封结构1由主轴4、压盖12、填料11组成，填料11为环状结构，在主轴4轴环端面设有与填料11结构吻合的环槽311，填料11置于环槽311中；在填料11上方设置有一用于压紧填料11的圆环形压盖12；

多道迷宫密封结构3；迷宫密封结构3由动环31和静环21配合组成，动环31固定套装在主轴4上并与主轴4一起旋转。

迷宫密封结构3和螺旋密封结构2属于非接触密封，运转无磨损，其寿命很长，适用于常压环境，在真空环境起到减压作用。而迷宫密封和螺旋密封存在间隙，在真空环境下不能完全阻止密封介质的泄漏。填料11密封属于接触密封，密封效果好，运转存在摩擦，在真空环境下短时运行能确保介质无泄漏。

填料11是截面为方形的环状结构；

主轴4和静环21间留有合适的间隙，多头矩形螺纹312的螺纹旋向与离心机(工作时单向旋转)旋向相关，在离心机工作时，螺纹能够向下驱赶密封介质从而起到密封效果；

迷宫密封设置在动环31和静环21之间，在静环21和动环31上设置多道迷宫密封，具体为在径向和轴向设置若干对应的凸起或凹槽(可以是静环21凸起对应动环31凹槽，亦可为是静环21凹槽对应动环31凸起；本实施例中采用的是径向上，动环31设置凸起，静环21设置凹槽，动环31凸起与静环21凹槽组成第一道迷宫密封结构3，在轴向上，动环31设置凹槽，静环21设置凸起，动环31凹槽与静环21凸起组成第二道迷宫密封结构3)。

实施例2，如图4所示，

本实施例与实施例1的区别在于：动环31的内侧部分位于主轴4轴环下部，动环31的外侧部分位于静环21的内侧部分下部，静环21的外侧部分位于动环31的外侧部分的外侧；压盖12的内侧部分位于主轴4轴环的上部，压盖12的外侧部分位于静环21的上部；静环21的外侧部分通过多个沿其圆周方向均匀布设的第二螺钉22安装在机架上；压盖12通过多个沿其圆周方向均匀布设的第一螺钉14安装在静环21上；压盖12上设置有多个沿其圆周方向均匀布设的用于压盖12与填料11的压紧和松开调节的压紧机构13，压紧机构13穿过压盖12后连接在静环21上，压紧机构13距离压盖12的侧边的距离长于第一螺钉14距离压盖12的侧边的距离。

实施例3，如图4所示，

本实施例与实施例2的区别在于：第一螺钉14为起顶螺钉。

实施例4，如图5所示，

本实施例与实施例2的区别在于：压紧机构13包括：限位螺母131、压紧螺母132、垫片133、弹簧134、t型螺栓135；t型螺栓135的头部固定置于静环21内，t型螺栓135的螺杆部分穿过压盖12设置，压紧螺母132旋入t型螺栓135的螺杆部分，限位螺母131旋入t型螺栓135的螺杆部分且置于压紧螺母132的上部，垫片133套在压紧螺母132下部的t型螺栓135的螺杆部分上；弹簧134套装在t型螺栓135的螺杆部分上，且置于垫片133与压盖12之间；限位套136套装在t型螺栓135的螺杆部分上。

需要压盖12压紧时，拧紧压紧机构13；需要压盖12松开时，拧松压紧机构13，拧紧起顶螺钉。

实施例5，如图5、图7和图8所示，

本实施例与实施例4的区别在于：在压盖12上沿其圆周方向均匀布设多个圆弧槽121，一个t型螺栓135的螺杆部分对应卡入一个圆弧槽121中；静环21上沿其圆周方向均匀布设多个t型槽，一个t型螺栓135的头部对应地卡入一个t型槽中。

压紧螺母132与弹簧134间设有垫片133以增大接触面积。通过旋转压紧螺母132，实现沿t型螺栓135的向下移动，从而压紧弹簧134，进而通过弹簧134压紧压盖12。设置弹簧134，可以保证填料11被磨损后，压盖12依然能压紧填料11。在t型螺栓135下端设置有限位套136，使压紧螺母132向下的移动距离被限制，工作时只需要人工旋转压紧螺母132至限位套136位置即可，以实现弹簧134需要的压紧力，且能保证各压紧机构13的压紧力一致。限位套136的长度可按需设置，且与弹簧134的所需压缩量相匹配。限位螺母131设置在t型螺栓135最上端，以避免松开压紧机构13时，压紧螺母132被拧出。压紧机构13限位套136和限位螺母131的设计大大减小了人工调节压紧力的操作难度，能轻松将压盖12周向各压紧机构13压力轻松调成一致。

实施例6，

本实施例与实施例1的区别在于：填料11为硬石墨材料、软石墨编织材料或聚四氟乙烯材料。

填料11材质根据线速度、密封介质压力、密封尺寸不同而选择不同的填料11。

实施例7，如图4所示，

本实施例与实施例1的区别在于：在静环21上设置多道用于防止转动件间隙泄漏密封介质的静态密封条32。本实施例设置有两道静态密封条32，其中一道置于压盖12和静环21之间，另一道设置于机架和静环21之间。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。