专利名称：耐高压机械密封装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转设备轴向端面的机械密封装置，特别是一种耐高压的轴向端面机械密封装置，可用于各种型式的压缩机、膨胀机、分离机、泵、反应釜等旋转类机器的轴向端面密封。
背景技术：
一种典型的机械密封结构如图1所示，包括轴向固定并可随轴(20)旋转的动环
(1)，以及经轴端密封面与动环(I)相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环(2)，静环(2)则经与其非密封轴向端相接触设置的推环及弹性结构(6)浮动支承于推环座之间。其中的推环座为由内侧筒状周壁(18)和外侧筒状周壁(29)与径向环平面结构形成的一“环槽”式结构；与静环的端面直接接触的基本呈单一径向平面结构的推环(4)，则以其内孔面间隙配合在推环座内侧圆筒结构(18)的外周面上。作为密封核心构件的动环轴向固定，静环轴向浮动，通过其轴向相对的密封端面直接接触或小间隙分离实现介质的密封。实践显示，密封的稳定性与被密封介质的压力密切相关。密封介质的压力较低时，密封的结构设计、工艺精度、装配要求、材料选取等都有较大的余地，并能很好地满足被密封机组的现场条件，确保密封的稳定运行；但随着被密封介质压力的升高，密封的泄漏量、变形、端面摩擦磨损等一系列参数都在恶化。实际上，当介质压力高于15MPa时，密封状况会急剧恶化，目前从结构、工艺、装配、材料等方面的一般处理措施已难以有效改善密封的性能。经理论计算和试验发现，静环的端面变形是引起密封泄漏量增大、端面摩擦磨损加剧的主要原因之一，而与静环相连的推环和推环座又关系到静环的约束位置、受力状况和浮动性，这些都会在一定程度上影响静环的端面变形。由于在介质压力较高的情况下，推环和推环座会出现变形量大，局部应力高，甚至出现塑性变形、局部裂纹等，导致密封失效。在介质压力较高时其存在的问题主要表现在
1)推环沿径向的压缩变形和垂直于周向的扭转变形增大。其中径向过大的压缩变形可能影响推环的内孔面与推环座内侧筒状周壁的圆周外表面的配合，导致推环的浮动性变差；扭转变形增大则可能使其与静环接触的端面改变静环的约束位置；
2)推环座的变形大，局部应力集中。与径向环平面连接的内、外侧筒状周壁均呈悬臂状结构，在高压介质压力的作用下变形大，特别是关键的内侧筒状周壁结构会呈现近锥状的变形，可显著影响推环的浮动性和密封圈的密封性能；且径向环平面与内、外侧筒状周壁连接的两转角部(16，17)还都存在非常显著的应力集中，可能出现塑性变形或局部裂纹；
3)由于外侧筒状周壁结构的存在，使推环座中关键的内侧筒状周壁的外圆柱面不便于精加工，最终会影响推环的浮动性。因此，合理设计推环和推环座是提升机械密封稳定性的一个重要关键。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种采用改进结构的推环和推环座的机械密封装置，特别是一种具有耐高压特性的机械密封装置。本发明耐高压机械密封装置的基本结构，同样包括有轴向固定并可随轴旋转的动环和经轴端密封面与动环相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环，静环经与其非密封轴向端相接触设置的推环及弹性结构与推环座浮动支承。其中，所说由弹性结构与推环座浮动支承的推环，为在与一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片的筒状结构，与盘片相邻的该筒状结构外伸端面与静环的轴向端面相接触；推环座为带有包括轴向中心孔在内的阶梯孔的筒状结构。推环的筒状结构以其外圆柱面与推环座径向环平面结构的中心孔内孔面间隙配合，并在其配合部位设有密封圈。由于本发明上述密封装置中的推环结构采用了一种在其一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片的筒状结构，并且只以盘片所邻该筒状结构的外伸端面与静环的非密封轴向端面相接触，而盘片部分则轴向后退而只与静环相邻，因此即使盘片产生变形也不会显著影响静环的浮动性，并且也更便于对推环中用于与推环座配合的筒状结构外圆柱面的精加工，有利于保障推环的浮动性。同时，与静环轴向端面相接触的该筒状结构端面的减小，同样也更有利于其加工并获得足够的表面形状精度，保证和提高其接触面的密封性能。由于本发明该推环与推环座间配合方式的改变，相应的推环座则相应改为了只有外侧筒状周壁的筒状结构，而不再是如传统结构那样同时具有内、外侧筒状周壁的“环槽”式结构，从而有利于减小介质压力对推环座的作用范围，推环座的变形也减小为只会产生对推环浮动性无显著影响的外侧筒状周壁结构的径向膨胀变形，和/或带轴向中心孔的径向环平面结构的扭转变形，并且只会在推环座中形成一个应力集中的位置，使推环座的局部应力集中显著降低。在上述结构基础上，本发明所述的耐高压机械密封装置还可以单独或任意组合方式进一步选择采取的优选方式包括
所说推环中位于盘片轴向两侧的筒状结构中，与静环接触端侧的外伸端的外周面直径大于与推环座径向环平面结构的中心孔内孔配合的外周面的直径，使介质压力(帕斯卡)产生的使推环向静环方向的力大于使其分离的力，并使其合力的方向是将推环推向浮动环，从而有利于确保浮动环对推环的追随性，提高了防止介质压力使推环和浮动环分离导致的密封失效的稳定和可靠；
所说推环中盘片内径侧的轴向厚度大于其外径侧的轴向厚度，有利于提高盘片部分的抗变形能力；进一步，
所说推环中盘片的轴向厚度为阶梯式由径向外周向心递增；
所说的与静环轴向端面相接触的推环筒状结构外伸端面的内径侧，具有内收的锥孔面结构。一般情况下，用于与静环的轴向端面相接触的该推环筒状结构外伸端面的半径侧宽度保持为广20毫米都是允许的，在此前提下将其内径侧部位设置为所说的内收锥孔面，适当减小了其与静环配合端面的径向宽度，可以在保证不致接触面泄漏的前提下，使其更易于加工并获得足够的表面形状精度；
在位于推环筒状结构外伸端一侧的盘片根部，设有可与静环端面相接触的密封圈；在所说的推环筒状结构外圆柱面上，至少在可与推环座中心孔内孔面相配合的部位设有耐磨材料层，以利于提高使用寿命。通过对本发明上述密封装置中的推环座外侧筒状周壁与径向环平面结构的转角部、径向环平面结构中心孔的内孔面外角部、以及推环筒状结构的外圆柱面的外角部，与传统机械密封装置中“环槽”型推环座的径向环平面与内、外侧筒状周壁间的两转角部(16，17)及内侧筒状周壁外圆柱面的外伸端角部的应力及变形计算分析表明，本发明推环在发生径向变形时具有更小的变形量及变形锥角，变形后产生的锥角约为O. ΓΓ，其轴向两端的径向相对变形量约为2飞微米，而传统机械密封中起导向作用的内侧筒状周壁结构外圆柱面的变形较不均匀，变形后产生的锥角约为6 25"，轴向两端径向相对变形量约为3(Γ130微米；本发明推环座中该转角应力集中处具有更小的极力极值，较传统机械密封外侧筒状周壁的转角处(16)约降低了 5 15%，而本发明推环座中心孔的内孔面外角部的应力极值，仅为传统机械密封内侧筒状周壁转角处(17)应力极值的Tll%。因此，本发明上述结构形式的机械密封装置能很好地降低推环与推环座间起导向作用的圆柱配合面的锥状变形，并大幅降低了推环座中的应力集中状态。而且也更方便于有精密加工需要的各配合面部位的加工制造。以下结合由附图所示实施例的具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明 上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
图1是一种典型的传统结构机械密封装置的结构示意图。图2是本发明耐高压机械密封装置的一种结构示意图。图3是图2中推环座的放大结构示意图。图4是图3所示推环结构的K向局部状态示意图。图5是本发明耐高压机械密封装置的另一种结构示意图。
具体实施例方式图2 图4所示的是本发明耐高压机械密封装置的一种基本结构形式，包括有轴向固定并可随轴20旋转的动环1，和经轴端密封面与动环I相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环2，静环2经与其非密封轴向端相接触设置的推环及弹簧等常规的弹性结构6与推环座5浮动支承。所说由弹性结构6与推环座5浮动支承的该推环，为在与一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片4的筒状结构10。其中，盘片4的内径侧的轴向厚度大于其外径侧的轴向厚度，且为阶梯7式由外径侧向内径侧递增。与盘片4相邻的该筒状结构10外伸端面13与静环2的轴向端面相接触，盘片4的该侧端面3则与静环2的相对端面相邻，并在盘片4的该端面侧的根部，经相应的凹槽设有可与静环2的相对端面相接触的密封圈81。同时，在位于盘片4轴向两侧的筒状结构10中，与静环2接触端侧的外伸端的外周面12的直径大于另一侧，即与推环座5径向环平面结构的中心孔内孔配合的外周面11的直径。推环座5为带有包括轴向中心孔在内的阶梯孔的筒状结构19。推环以其筒状结构10的外圆柱面11与推环座5径向环平面结构的中心孔内孔面间隙配合，并至少在可与推环座5的中心孔内孔面相配合的外圆柱面部位设有如金刚石涂层或陶瓷涂层等耐磨材料层9，在其配合部位间还经相应的凹槽结构设置有密封圈82。与静环2轴向端面相接触的推环的筒状结构10外伸端面的内径侧，为具有内收的锥孔面14结构。在推环座5的径向环平面结构的内侧径向面上，还可以按常规方式沿周向均匀设置数个用于设置弹簧等弹性结构6的凹槽等形式的定位结构。图5是本发明耐高压机械密封装置的另一种结构形式。与图2结构的主要差别体现在推环中盘片4的轴向厚度为单纯以阶梯式由外径侧向内径侧递增而成为其根部的轴向厚度大于其径向外周厚度的形式，并未再设有可与静环2的相对端面相接触的密封圈81。图中所示的各种结构只涉及了单级密封的形式。在实际使用中，本发明密封装置的总体布局根据需要可有多种型式，如单端面密封、双端面密封、串联式密封(两级以上)、串联带中间迷宫(两级以上)等，并且还可进一步与浮环密封、碳环密封、迷宫密封等其它密封型式组成组合式密封，本领域的技术人员均可以根据本发明上述密封装置的内容予以实现。
权利要求
1.耐高压机械密封装置，包括轴向固定并可随轴(20)旋转的动环(I)，和经轴端密封面与动环(I)相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环(2)，静环(2)经与其非密封轴向端相接触设置的推环及弹性结构(6)与推环座(5)浮动支承，其特征是所说由弹性结构(6)与推环座(5)浮动支承的推环，为在与一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片(4)的筒状结构(10)，与盘片(4)相邻的该筒状结构(10)外伸端面(13)与静环(2)的轴向端面相接触，推环座(5)为带有包括轴向中心孔在内的阶梯孔的筒状结构(19)，推环的筒状结构(10)以其外圆柱面(11)与推环座(5)径向环平面结构的中心孔内孔面间隙配合，并在其配合部位设有密封圈(82)。
2.如权利要求1所述的耐高压机械密封装置，其特征是所说推环中位于盘片(4)轴向两侧的筒状结构(10)中，与静环(2)接触端侧的外伸端的外周面(12)的直径大于与推环座(5)径向环平面结构的中心孔内孔配合的外周面(11)的直径。
3.如权利要求1所述的耐高压机械密封装置，其特征是所说推环中盘片(4)的内径侧的轴向厚度大于其外径侧的轴向厚度。
4.如权利要求3所述的耐高压机械密封装置，其特征是所说推环中盘片(4)的轴向厚度为由外径侧向内径侧阶梯式递增。
5.如权利要求1所述的耐高压机械密封装置，其特征是与静环(2)轴向端面相接触的推环的筒状结构(10)外伸端面的内径侧具有内收的锥孔面(14)结构。
6.如权利要求1所述的耐高压机械密封装置，其特征是在位于推环的筒状结构(10)外伸端一侧的盘片(4)根部，设有可与静环(2)端面相接触的密封圈(81)。
7.如权利要求1所述的耐高压机械密封装置，其特征是推环筒状结构(10)外圆柱面上，至少在可与推环座(5)中心孔内孔面相配合的部位设有耐磨材料层(9)。
全文摘要
耐高压机械密封装置，包括轴向固定并可随轴旋转的动环和经轴端密封面与其相对设置并可作轴向浮动的静环，静环经与其非密封轴向端相接触的推环及弹性结构与推环座浮动支承。该推环为在与一轴向端相邻的外周部设有径向外展盘片的筒状结构，与盘片相邻的该筒状结构外伸端面与静环的轴向端面相接触；推环座为带有包括轴向中心孔在内的阶梯孔的筒状结构。推环的筒状结构以其外圆柱面与推环座径向环平面结构的中心孔内孔面间隙配合，并在其配合部位设有密封圈。该密封装置显著降低了推环变形对其浮动性的影响和推环座导向柱面的锥状变形，大幅降低了传统结构推环座中多处应力的集中状态，显著提高了耐压性能及密封的稳定性和使用寿命，且便于部件的精加工。
文档编号F16J15/54GK103016742SQ201310000620
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者张车宁, 王和顺, 王泽平, 刘小明, 刘婷 申请人:四川日机密封件股份有限公司