機械密封裝置的推環及機械密封裝置的制造方法
【專利說明】機械密封裝置的推環及機械密封裝置
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及機械密封裝置中的推環及相應的機械密封裝置，特別適合包括壓縮機、膨脹機、分離機、栗、反應釜等各種旋轉類機器的軸端密封裝置。
【背景技術】
[0003]目前的一種典型機械密封結構如圖1和圖2所示，包括軸向固定并可隨軸(12)旋轉的動環(1)，以及經軸端密封面與動環(I)相對設置并可作軸向浮動的非旋轉的靜環(2)，動環(I)以其內孔面和/或非密封端面經傳動結構(13)固定于軸套(8)上，并進一步與軸(12)固定連接;靜環(2)則經設置在與其密封面相背端的推環(3)及彈性結構(6)軸向浮動支承于靜環座(4)中，并經周向設置的防轉銷(5)等固定;推環(3)中經設置于其密封方向端面
(15)的周緣部的臺階型凹槽(14)中的密封圈(9)等密封結構，同時與靜環(2)非密封端面及與靜環座(4)內筒的外圓柱面接觸，以實現同時對密封介質在靜環的非密封端面與推環間沿徑向產生的泄漏、在靜環內孔面與靜環座(4)外圓柱面間沿軸向產生的泄漏進行密封。實踐中發現，在介質壓力較高的情況下，在上述結構形式的機械密封結構中，推環和靜環座易出現變形量大、局部應力高，甚至會出現塑性變形、局部裂紋等情況，導致密封失效。而推環、靜環及靜環座之間密封圈位置設置改變，也會在很大程度上改變推環及靜環座的受力情況，并最終改變靜環的端面變形及靜環座的變形及應力極值，可主要表現為:
1)由于靜環、推環、靜環座三者之間最終的泄漏通道都匯集于靜環內孔面與靜環座外圓柱面之間的間隙處，在靜環軸向尺寸及浮動距離給定的情況下，放置于推環內的密封圈沿軸向的位置也即確定，且其相對于靜環座內筒軸向底部具有較大的距離，使靜環座內筒體在介質壓力的作用下形成較長的懸臂狀受力區域。在高介質壓力作用下，靜環座內筒體變形顯著增大，特別關鍵的是內側筒狀周壁結構會呈現近錐狀的變形，可顯著影響推環的浮動性和密封圈的密封性能;且靜環座底部徑向環平面與內、外側筒狀周壁連接的兩轉角部還都存在非常顯著的應力集中，可能出現塑性變形或局部裂紋；
2)能夠使用的密封圈類型受到一定限制。因靜環、推環、靜環座三者之間最終的泄漏通道匯集于靜環內孔面與靜環座外圓柱面之間的間隙處，且密封圈工作區域由推環上的凹槽與靜環非密封端面圍成。該區域的結構特征則導致了不便于使用具有更高的耐壓性能的一些特定狀態的密封圈，如:“C"形、“L”形、“V”形復合密封圈等。
【發明內容】
[0004]針對上述情況，本發明首先提供了一種機械密封裝置中的推環，并在此基礎上并進一步提供了相應的機械密封裝置，可以大大降低靜環密封端面的不利變形，顯著提升密封的耐高壓性能。
[0005]本發明機械密封裝置的推環，其基本結構是具有軸向貫通內孔的推環結構中，包括徑向外展的環體和在其一側端面上沿中心軸向伸凸的環狀凸臺結構兩部分結構，在所述貫通內孔的孔壁中設置有開口于孔壁面的環形凹槽，用于設置密封圈等密封結構，所述環形凹槽的凸臺結構方向側的槽壁與環狀凸臺結構的端面間保持有間隔結構。該間隔結構的軸向寬度優選2 5mm;優選的凸臺結構的徑向高度2 0.2mm。
[0006]上述結構中，所述的環狀凸臺結構的軸向寬度可優選為20.5mm，更好的是0.5?3mm ο
[0007]本發明上述形式的推環，所述的環體與凸臺結構兩部分雖不排除可采用由相互獨立的傳統推環和凸臺兩部分結構穩固接合的結構形式，但以采用整體成型式的結構為優選。
[0008]在所述環形凹槽的凸臺結構方向側槽壁與凸臺結構的端面間設置有間隔結構后，大大提高了推環該方向端部的徑向高度/強度，通過改變凸臺的徑向高度和/或軸向寬度，還可以根據實際應用的工況條件將其與靜環相對端面間的密封效果調整至最佳狀態，并有效降低了流體密封介質的壓力作用于機械密封裝置的靜環座內筒的外圓柱面上的面積，從而降低作用于靜環座內筒處外圓柱面上的壓力，降低靜環座內筒處外圓柱面轉角處的應力值，減小靜環座整體特別是內筒的變形，避免相對薄弱的該轉角處應力極值過大導致零件失效的可能性。經測試，相較于傳統推環中用于設置密封圈等密封結構的環形凹槽采用為在推環端面上沿周緣設置的內凹臺階型的結構，本發明結構的推環在發生徑向變形時具有更小的變形量及變形錐角，靜環座中對應的轉角應力集中處具有更小的極力極值，從而使機械密封裝置的密封耐高壓性能有了顯著提升。
[0009]因此，上述結構中的所述凸臺結構的徑向高度與所述推環的徑向外展的環體軸向寬度之比，可優選為0.3?I。
[0010]上述推環貫通內孔中開口于孔壁面的環形凹槽的槽深和/或槽寬，都可以視具體的密封要求而定。
[0011]上在述結構中所述推環貫通內孔中環形凹槽的兩側槽壁與對應的推環兩端面的間隔結構中，優選為凸臺結構方向側的間隔結構的軸向寬度大于推環背面方向側的間隔結構的軸向寬度，即，使所述環形凹槽的位置盡量向推環的背側方向位移。這里所述的推環背面，是指與所述凸臺結構相背方向的推環端面。例如，推環背面方向側的間隔結構的軸向寬度可2 0，優選2 0.5mm;進一步，推環背面方向側與凸臺結構方向側的間隔結構的軸向寬度之比，可以為O?0.6，更好的比值可為0.1?0.6。
[0012]上述結構中的另一種可選擇的方式是，所述環形凹槽軸向兩側的推環貫通內孔的直徑中，凸臺結構方向側內孔的直徑 < 推環背面方向側內孔的直徑。其中，優選是凸臺結構方向側內孔的直徑與推環背面方向側內孔的直徑的比值為0.9?I，更好的是可使其二者的差值< 5_，一方面有利于將環形凹槽與推環背面之間的推環內孔面設為要密封的孔面，另一方面也有利于在環形凹槽中設置多種類型的密封圈，例如“C”形、“L”形、“V”形復合密封圈等，增強密封圈的耐壓性能。
[0013]進一步，在上述結構的基礎上，還可以使所述凸臺結構的軸向端面的粗糙度<0.8微米，平面度<12微米，以更有利于凸臺結構與靜環的相對端面間通過緊密接觸進行密封的效果。
[0014]以上述結構的推環為基礎，本發明還提供了一種機械密封裝置，其結構除具有軸向固定并可隨軸旋轉的動環，以及經軸端密封面與動環相對設置并可作軸向浮動的非旋轉的靜環，動環經傳動結構固定于能與軸同步轉動的軸套上，靜環通過位于其非密封端面側的推環及彈性結構軸向浮動支承于靜環座之間，并經周向防轉結構固定，其中所述的推環則采用上述結構形式的推環。
[0015]在本發明上述的機械密封裝置中，所述推環中凸臺結構的軸向端面與靜環的非密封端面緊密接觸可形成一對徑向的靜密封面;在所述推環的環形凹槽中通過設置的適當形式密封圈等密封結構，使推環和密封結構一同套置在靜環座的密封周面上，實現沿軸向的密封。由于傳統機械密封裝置中推環與靜環背面間的徑向泄漏通道和與靜環座內筒的外圓柱面間的軸向泄漏通道，都需由位于推環端面周緣部內凹臺階型環形凹槽中的該同一密封圈等結構進行，一旦該密封結構失效則兩個泄漏通道均不能密封，導致了密封可靠性差。而采用了本發明上述推環后的密封裝置，由其凸臺結構的軸向端面與靜環的非密封端面直接面-面接觸，特別是通過控制其間所述的表面粗糙度和/或平面度等表面精度，無須密封件即可實現密封;而設于推環環形凹槽中的密封結構則可僅針對推環內孔面與靜環座內筒的外圓柱面之間的軸向泄漏通道進行密封，有效提高了密封的可靠性。
[0016]此外，本發明上述結構形式的推環，以及采用了該推環的機械密封裝置，在推環中不僅可以允許使用現有的如C形、L形、V形等多種類型的密封圈作為密封結構，增強密封的耐壓性;而且，推環發生徑向變形時可