专利名称：旋转驱动轴上实现完全密封的动力耦合装置及其耦合方法
技术领域：
本发明是属于一种工程方法和机器设备。本发明可以在由驱动轴所处的封闭空间和被驱动轴所处的封闭空间之间双向传递转动的同时，实现至少一个完全密封。本发明能够保护重要的机器部件免受环境污染，腐蚀以及由于液体渗漏或潮湿引起的电力短路。
背景技术：
众所周知，机械端面密封技术允许旋转轴从静止的机器外壳内部向外伸出，因而能够保护机器不受恶劣的工作环境影响。但是，磨损、腐蚀以及压力、温度的大幅波动经常能够导致机械密封的失效。多年以来有很多工程上的努力，试图去改进机械密封的设计，以提高可靠性和降低维护成本。现存的另外一个完全密封的解决方法是利用气隙磁耦合来隔开马达与其负载。因为有限的扭矩、耦合处的较大尺寸、以及耦合器产生的热量，磁力耦合在机械上的应用在根本上受到制约。现实中有许多的工业应用需要高扭矩和复杂的控制但是缺少磁力耦合所需的空间尺寸。另外，有的机器本身处于很高的外部压力，又或者在这种工作状况下很难进行周期的维护工作，因而在此种情况下不适合使用经常需要维修的端面密封。在2011年日本大地震中，由于后备发电机故障引起了核电厂的严重事故。这促使人类急需新的，且能够抵抗海水浸泡的发电机以及水泵的设计。而在这新的设计中，机械密封起着至关重要的作用。机械密封和磁力耦合适用于某些类型的工作环境和条件，但它们都不是长期不具有使用问题的工程方法。鉴于此，克服旋转轴的密封问题，在技术上具有高度的挑战性。有许多的制造行业，包括汽车，水泵，发电，船舶，航空航天，油田服务，炼油厂，化工厂，食品加工等，都急需要找到一个更好的机械密封解决方法，将旋转运动从一个封闭的机器空间完全密封地传输到其邻近的空间或者反向传输。取代传统机械端面密封解决方法的基本工程问题在于，如何回避旋转轴和外壳之间产生的无限周期的边界条件。在这样的边界条件上，使用粘接或者锁紧密封面的工程方法必然是无效的。
发明内容
本发明的目的是在提供一个旋转轴和其封闭的外壳之间可使用粘接或锁紧的密封的解决方案，利用驱动轴的耦合器将输入轴的旋转运动转换成两个正交振荡，然后在这种耦合器的另一侧使用第三个振荡器将振荡运动转换成输出轴的旋转运动。第三个振荡器安装在I禹合器上，其运动的方向垂直于I禹合器的运动方向。在驱动轴I禹合器中间有一个固体的隔墙把输入轴和输出轴隔开。本发明的一个方面提供了一种可使旋转传输轴的旋转运动转换成耦合器的多个正交振荡运动再转换成输出轴旋转运动的耦合方法，所述方法包括以下步骤连接输入轴与率禹合器输入端的一个振荡器；转换输入轴旋转运动成稱合器的多个正交振荡器的振荡运动；连接输出轴与耦合器输出端的一个振荡器；其中转换旋转运动成振荡运动的方法是可以允许机壳和耦合器之间加装一个粘接的密封。本发明的另一方面提供了一种机械稱合器，其包括有机械稱合器来分隔输入轴和输出轴，并将输入轴的旋转运动转换成耦合器上的两个正交振荡，在耦合器的输出端利用第三个振荡器，将振荡运动转换成输出轴的旋转运动。由于振荡器不产生无限周期的边界条件，因此，在旋转轴和其封闭的外壳之间可以建造至少一个粘接或锁紧的密封。利用这一个实现了完全的密封的驱动轴耦合器，不仅可以保护机器内部的敏感部件不受到外部环境和物质的污染，同时也允许一个旋转轴在无泄漏的情况下去驱动外部的负载。每个振荡运动可以由直线运动轴承、衬套、齿轮或滚筒、或导轨的组合来引导轴承以减少其摩擦力，防止其运动所产生的热量。既然在本发明的驱动轴耦合器上没有极端的温度产生，那么橡胶类材料，复合材料或类似的材料，都可以作为密封材料。本发明应用在频繁启动和停止的旋转轴时，可使用装在驱动轴耦合器两侧振荡器上的磁铁来防止输出轴的转动分岔，特别是当输入轴端偏心的传动销在两个特别的角度位置上启动时；例如，在本发明中传动销在O和180度时可能发生输出轴转动分岔，输出轴将被磁铁强制按照输入轴的相同方向旋转，因而不会发生转动分岔。总结本发明的机械传动链在驱动轴末端的偏心传动销引起旋转耦合器上的垂直和水平振荡,装在驱动轴稱合器另外一边的垂直振荡器迫使一个与其相连的输出轴朝输入轴同方向与其同步旋转。结合以下的详细描述以及附图，本发明的创新，特点及其目的和功能将可以明确清楚地说明。
图1是本发明的旋转驱动轴耦合器的机械装配的立体图；图2是本发明中振荡转换器的组件分解图；图3是本发明中机械装配的剖视图；图4是本发明中橡胶密封的立体图；图5 (a)及图5 (b)是用来说明输入轴和输出轴的传动销投影在一个单位圆上的角度位置借以解释旋转分岔的说明图。
具体实施例方式本发明的转动驱动轴耦合器的重要组成，包括一个输入轴、振荡转换器、输出轴、和密封及机壳。图1中显示的是旋转驱动轴耦合器机械装配的立体图。为了获得本发明的清晰视图，省略绘制机壳12的后半部的驱动马达。如下是本发明旋转驱动轴耦合器10的更详细的说明，在图1中单元30是指振荡转换器。其中包括一个垂直振荡器，这个垂直振荡器里包括侧翼64和轴承62，其中轴承62可在两个直线轴承或衬套38和34内部垂直移动。另外，在振荡转换器30的另一边有一个对称垂直振荡器未在图中显示出。振荡转换器30本身只能做水平运动而其水平运动轴承可在另外两个直线轴承/衬套52和54中移动，直线轴承/衬套52和54是固定或焊接在两个支撑板44和46上面的，支撑板44和46直接固定到机壳12内部。振荡转换器30也可以采用低摩擦部件来引导其水平移动，例如利用轮子，齿轮，轨道，轴承或衬套之类的部件，并可将其安装在机壳12内部的上表面和下表面上。直线轴承/衬套是只允许轴承做一维直线运动的装置，在轴承运动时它不允许轴承旋转。如果一个设计工程师倾向于使用纯套管，可以考虑采用双轴振荡器的设计方案，这样的设计也可以防止轴承在运动中旋转。在图1中也呈现了输入旋转轴22和输出旋转轴16。将在后段详细介绍输出旋转轴16和旋转销18如何与振荡转换器30卡合。输入旋转轴22也使用相同的方式卡合。图2是将输出轴16与振荡转换器30绘制在一起的组件分解图。输出轴16 —端的传动销18，可与包括翼88和轴82的垂直振荡器通过嵌入在振荡器中心的滚珠轴承80进行卡合。垂直振荡器有两个84和86的永久磁铁安装在其翼88的下方。为使两个相对的垂直振荡器同步运动，安装在振荡转换器30的中心凹槽中的磁铁84和86通过非磁性薄壁42与安装在振荡转换器30对面的磁铁66和68相互吸引。薄壁42和振荡转换器30，可用特殊的非磁性材料制作，例如，镍基合金，钛等，这些材料可让磁力通过。凸出的环形面26是用来安装显示在图3和图4中的橡胶密封。直线轴承/衬套32和36是用来引导振荡转换器30的垂直振荡轴82，直线轴承/衬套52和54是用来引导振荡转换器30的水平振荡轴70和72。输出轴16是由位于机壳12 —端的开口 28内的推力轴承24来支撑。橡胶波纹密封14，其直径较小的口是粘接在机壳12的开口 28上而另一端是粘接在振荡转换器30凸出的环形面26上。在图2中也可以清楚看到凸出的环形面26。封闭输出轴的空间是由推力轴承24、密封14和在振荡转换器30中间的薄壁42组成。推力轴承24是安装在机壳12的开口 28上。因此，输出轴占用的空间和输入轴占用的空间之间装有一个完美无漏的密封隔离。虽然再安装另一个机械端面密封并非必要，但是仍然可以在机壳12的开口 28上安装一个额外的机械端面密封来提供更多的保护。图3中显示的是与振荡转换器30的薄壁42对称的两个垂直振荡器。输入旋转轴22和旋转销20与另一个垂直振荡器卡合。这个垂直振荡器在振荡转换器30的输入端直线轴承/衬套34和38中滑动。位于输入轴22上的偏心旋转销20产生的扭矩将带动所有三个振荡器而使与其相连的输出轴16被动地跟随输入轴22旋转。在此并没有呈现出固定和带动输入旋转轴22的马达。图4中显示了波纹橡胶密封14，其中一端是粘接在机壳12的开口 28上而另一端是粘接在图3中振荡转换器30凸出的环形面26上。密封14将承受到许多横向振动。因此，增加长度和使用波纹形状，采用软质橡胶材料，或类似橡胶类的复合材料，将减少密封14的应力和延长其使用寿命。旋转分岔可能发生在输入轴的传动销在O和180度的两个角度位置上启动时。这两点的位置是若一个人沿输入轴轴向观测，传动销的旋转轨迹与水平轴相交的两个交叉点，图5a和图5b绘制出输入轴传动销和输出轴传动销从零度开始随时间沿单位圆旋转所允许的角度位置。用每分钟60转作为一个范例，圆环符号O是输入轴传动销针的位置而交叉符号X是输出轴传动销的位置。如图5a和图5b所示，图5a显示两个旋转轴在同步旋转而图5b显示出两个旋转轴在朝相反方向旋转。虽然一个逆时针旋转和一个顺时针旋转，但是两个旋转的可能性都是机械原理上所允许的。因此对于应用在经常停止和启动的场合，使用者需要防止当输入轴传动销的位置，偶尔碰巧是在这两个角位置上启动所造成输出轴旋转方向不可预测的可能性。解决此问题优先的方案，是刚才解释过的工程方法，这个方法不论输入轴传动销的启动位置在哪个角度，使用永久磁铁迫使两个垂直振荡器往同一方向移动。当然也有其他的机械装置，例如，特殊的离合器或棘轮等，可安装在输入轴、输出轴上、或两者都装，去迫使其轴朝一个选择的方向旋转传动。其他的解决方案包括控制伺服马达强制输入轴只能停止在除此两个特殊的角位置以外的角位置上。因此，我们的发明，在与其他单向机械设备或方法的帮助下也可以用在不需要永久磁铁的情况下工作。据分析，由于本发明转动轴耦合器中正交振荡器的特殊安排使旋转分岔发生在O和180度的水平位置。它也可能发生在任何其他的角度位置，取决于工程师如何将旋转耦合器装入机壳。这里总结旋转传动耦合的方法在输入旋转轴22尾端的传动销20启动两个正交的振荡运动；一个是振荡转换器30的水平振荡运动而另一个是滑动在直线轴承/衬套34和38中的垂直振荡运动，而这个垂直振荡器带有翼64与轴62。具有水平振荡轴70和72的振荡转换器30在直线轴承/衬套52和54内作水平振荡，52和54是通过两个支撑板44和46直接固定到机壳12的机壳内。在振荡转换器30反面的另一个垂直振荡器带有翼88与轴82，在直线轴承/衬套32和36内作垂直振荡。而此振荡器与输出轴16的传动销18相连接并迫使输出轴16与输入轴22同步旋转。本发明的优点，包括但不只局限于，在工业史上第一次使用粘接或锁紧密封，并同时可以从一个封闭的空间内无泄漏地传输旋转运动到其邻近的空间。不同于磁耦合的是，本发明中扭矩的传动比是一比一，而且旋转传动绝对不会发生相对损失。输出转速控制也比磁耦合器简单得多。鉴于一个完全的密封及其提高的可靠性，这一个新发明可以应用到许多具有挑战性的工业环境当中。本发明侧重于机械设计的概念，并没有在小型化的设计上下工夫。人们可以很容易的想象到此传动轴耦合器可以结合任何其他机械设备部件使用。例如，齿轮箱，棘轮，离合器等。对于在高压环境下的应用，可以在密封两侧舱内使用平衡压力的液体，从而可以防止橡胶密封在高压环境下发生过大的变形。在广义上讲，本发明是一种方法，以及机械设计，它可以实现一个完全无泄漏的密封，把旋转轴的运动从封闭的空间传输到及其邻近的空间，反之亦然。这个新的发明和技术有可能彻底改变许多工业机械密封的设计，尤其是可改变在目前已经使用端面密封和磁耦合的工业产品上。虽然上述本发明的书面说明可让普通工程人员复制和应用目前被认为是本发明中最好的模式及其设计，但是那些具有普通技能的工程人员应该理解和意识到与本发明中具体实现的方法和实例的变化性，组合性和对等性的产品是存在的。因此本发明不应该只局限在上面介绍的具体实现，方法和实例，且应该包含了所有其他在本发明精神范围内的范例和方法。
权利要求
1.一种可使旋转传输轴的旋转运动转换成稱合器的多个正交振荡运动再转换成输出轴旋转运动的耦合方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤连接输入轴与稱合器输入端的一个振荡器；转换输入轴旋转运动成耦合器的多个正交振荡器的振荡运动；连接输出轴与I禹合器输出端的一个振荡器；其中转换旋转运动成振荡运动的方法是可以允许机壳和耦合器之间加装一个粘接的密封。
2.根据权利要求1所述的耦合方法，其特征在于，该方法包括在机壳和耦合器之间装入一个粘接或锁紧的密封用来分隔输入轴和输出轴所占据的空间。
3.根据权利要求1所述的耦合方法，其特征在于，该方法包括使用磁铁强迫输出轴按照输入轴同方向同步旋转以防止发生输出轴的旋转分叉，这可能发生在输入轴销偶尔在两个特殊的角位置上启动的时候。
4.根据权利要求1所述的耦合方法，其特征在于，该方法包括使用低摩擦部件，来引导振荡器的振荡运动。
5.根据权利要求1所述的耦合方法，其特征在于，该方法包括在机械耦合器上将输入轴和输出轴分隔。
6.根据权利要求1所述的I禹合方法，其特征在于，该方法包括输入轴和输出轴都具有销。
7.根据权利要求1所述的耦合方法，其特征在于，该方法包括在机械耦合器输入端和输出端的振荡器都使用低摩擦部件用来连接输入轴和输出轴。
8.根据权利要求1所述的稱合方法，其特征在于，该方法包括输入轴和输出轴都可浸泡在压力平衡液中来平衡高压环境下的高压。
9.一种机械稱合器,其特征在于,其包括有机械稱合器来分隔输入轴和输出轴,并将输入轴的旋转运动转换成耦合器上的两个正交振荡，在耦合器的输出端利用第三个振荡器， 将振荡运动转换成输出轴的旋转运动。
10.根据权利要求9所述的机械耦合器，其包括在机壳和耦合器之间，至少一个粘接或锁紧的密封用来分隔输入轴和输出轴所占有的空间。
11.根据权利要求9所述的机械耦合器，其包括使用磁铁强迫输出轴按照输入轴同方向同步旋转以防止输出轴的旋转分叉，这可能发生在输入轴销偶尔在两个特殊的角位置上启动的时候。
12.根据权利要求9所述的机械耦合器，其包括直线运动轴承用来引导振荡器的振荡运动并降低其摩擦力。
13.根据权利要求9所述的机械耦合器，其包括输入轴和输出轴都具有偏心销用来连接机械耦合器。
14.根据权利要求9所述的机械耦合器，其包括振荡器可以使用套管或轴承来连接传动轴销。
15.根据权利要求9所述的机械耦合器，其包括输入轴和输出轴都可以浸泡在压力平衡液中来平衡高压环境下的高压。
全文摘要
本发明公开了一种旋转驱动轴上实现完全密封的动力耦合装置及其耦合方法，本发明使用一个旋转驱动轴耦合器可把输入轴的旋转运动转变成耦合器上的两个正交振荡运动。在这种耦合器的另一侧，利用第三个振荡器的振荡运动再把振荡运动转换回输出轴的旋转运动。因此在耦合器和机壳之间至少可安装一个无滑动的密封来分隔输出轴所占据的空间和输入轴所占据的空间。三个振荡器的振荡运动，都可以分别利用轴承，齿轮或轨道来加以引导，以减少其运动产生的摩擦力和热量。耦合器上的两对磁铁组是用来防止旋转轴旋转的分叉，并迫使输出轴与输入轴按照同方向同步旋转。与磁耦合器传动不同之处，是在本发明里扭矩的传递是直接而无损的。
文档编号F16H57/029GK102996753SQ20121033879
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月13日 优先权日2011年9月17日
发明者章中 申请人:章中