CN107893853B - 一种凸阶梯轴磁流体密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种凸阶梯轴磁流体密封装置，包括外壳、密封组件和端盖；所述密封组件包括轴，所述轴通过轴承转动地安装于外壳内，轴包括至少一个凸阶梯部，所述凸阶梯部包括多个依次沿轴向排列的台阶，相邻台阶的外壁之间通过弧形倒角状过渡面连接；每个过渡面外套设有与该过渡面匹配的极靴，所述极靴向过渡面一侧或两侧方向延伸至该过渡面侧部相应台阶所对应位置，所述极靴的内壁与相应过渡面、台阶之间均留有间隙，所述极靴内壁上和/或轴上与极靴内壁相对应的部位开设有极齿；相邻极靴之间设有永磁体。本发明的耐压能力强，二次承压能力和自修复能力强，大间隙条件下磁性流体密封的耐压能力和密封可靠性强，安全工作范围大。

Description

一种凸阶梯轴磁流体密封装置
技术领域
本发明涉及一种凸阶梯轴磁流体密封装置，属于机械工程密封领域。
背景技术
磁流体密封是借助磁流体在强磁场的作用下形成的磁流体密封环对气体、液体进行密封，由于它与密封轴之间是通过磁流体进行接触封密，因而避免了密封轴与密封件的直接摩擦和降低了附加载荷，此外磁流体密封还具有零泄漏、可靠性高、结构简单等特点。尽管磁流体在真空低压密封上技术己经比较成熟，也得到了比较广泛的应用，但在高压气体密封和液体密封上，还有很多问题没有解决，如磁流体密封压力过小、被密封的介质会引起磁流体的变质而导致密封迅速失效等，密封难度大，离实际应用还有一定的差距。因此，如何合理设计磁性流体密封结构参数，提高永磁体的利用效率，增强密封耐压能力也是目前磁流体密封技术一项有意义的研究内容。
提高大间隙下磁性流体密封耐压性能的方法之一是通过增加磁流体密封磁路中磁源的数量并改进极靴的形状，如对比文献1(公开号为CN204805552U的专利)所述的密封装置和对比文献2(公开号为 CN202418592U的专利)所述的密封装置。尽管以上文献所述的两种密封装置相对普通磁性流体密封性能得到极大的提高，但现有密封结构的密封性能仍有进一步提高的空间。
磁流体在静态时不具磁性，仅在外加磁场作用时，才表现出磁性。磁性微粒和载液浑成一体，从而使磁流体既具有普通磁性材料的磁性，同时又具有液体的流动性，因此具有很多独特的性质。
相对普通单一磁源磁性流体密封或普通多磁源磁流体密封而言 ，现有密封装置增加磁场力强度从而使得密封性能得到极大的提高，但依旧满足不了高速重载场合较高密封性能的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种凸阶梯轴磁流体密封装置，从而解决现有单磁源磁流体密封装置和多磁源磁流体密封装置存在的耐压性能低的难题，同时减小应力集中，使得该密封技术成功应用于高速重载等领域中。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种凸阶梯轴磁流体密封装置，包括两端开口的外壳、密封组件和用于将密封组件压紧于外壳内的端盖；所述密封组件包括轴，所述轴通过轴承转动地安装于外壳内，所述轴包括至少一个凸阶梯部，所述凸阶梯部包括多个依次沿轴向排列的台阶，相邻台阶的外壁之间通过弧形倒角状过渡面连接；每个过渡面外套设有与该过渡面匹配的极靴，所述极靴向过渡面一侧或两侧方向延伸至该过渡面侧部相应台阶所对应位置，所述极靴的内壁与相应过渡面、台阶之间均留有间隙，所述极靴内壁上和/或轴上与极靴内壁相对应的部位开设有极齿；相邻极靴之间设有永磁体。
进一步地，相邻台阶的外壁之间通过圆角状过渡面连接。
进一步地，极靴与圆角状过渡面相对应部分，极靴内环面的圆弧曲率半径大于轴上相应过渡面的圆弧曲率半径；进一步地，极靴内环面的圆弧曲率半径为3~43mm；相应的，轴上圆弧的曲率半径为2~40mm。
进一步地，当单个凸阶梯部中台阶的数量超过2个时，沿轴向分布的相邻永磁体的相邻侧磁极相同。
进一步地，所述极齿包括轴向极齿和/或过渡极齿，轴向极齿设置于台阶上和/或与台阶相对应的极靴内壁上，过渡极齿设置于过渡面上和/或与过渡面相对应的极靴内壁上。
优选地，单个凸阶梯部中，台阶的数量为3-11个，过渡面的数量为2-10个，极靴的数量为2-10个。
作为本发明的一种实施方式，所述凸阶梯部包括1个第一台阶、2个第二台阶和2个第三台阶，所述第一台阶、第二台阶和第三台阶的直径依次减小，所述2个第二台阶和2个第三台阶依次对称分布于第一台阶两侧。
进一步地，所述间隙大小为0.05-5mm，优选为2-5mm。
进一步地，所述极靴的外壁上设有环状凹槽，所述环状凹槽内设有密封圈。
进一步地，单个凸阶梯部中，最外侧的两个极靴的外侧分别设有第一隔磁环和第二隔磁环。
进一步地，所述轴承的数量为两个，分别为第一轴承和第二轴承，且分别设置于阶梯部的两侧。
进一步地，所述端盖可拆卸地固定于外壳右端。优选地，所述端盖通过螺纹固定于外壳右端。
本发明的密封装置可解决大间隙条件下密封装置耐压能力不足的难题。通过设计一种带有弧形倒角状过渡面的凸阶梯式转轴（凸圆弧阶梯轴）和圆弧式极靴结构，优选地，圆弧式极靴径向内环面和圆弧式侧面（与弧形倒角状过渡面相对应的弧形面）上均布开设相应形状的极齿，将永磁体嵌入在极靴之间，在极靴与凸圆弧阶梯轴形成的径向和圆弧面方向密封间隙内注入磁流体，从而实现一种凸阶梯轴磁流体密封。本发明在阶梯式磁流体密封基础上，通过设置多级磁源及改进极靴上极齿的分布形式，改进轴的结构，将矩形阶梯轴改进为凸圆弧阶梯轴，从而使得磁流体密封耐压能力大大增强；凸圆弧式的密封结构可减小密封失效时磁流体的损失，减小应力集中，方便生产与加工，同时增加密封装置的二次承压能力和自修复能力。进一步提高大间隙条件下磁性流体密封的耐压能力和密封可靠性，扩大了其安全工作范围。
综上，本发明的磁流体密封装置耐压能力强，生产加工方便；密封失效时，磁流体的损失小，二次承压能力和自我修复能力强，有效增大大间隙条件下装置的耐压能力和密封可靠性，从而扩大安全工作范围。
附图说明
图1是本发明第一种实施方式的磁流体密封装置的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1所示，一种凸阶梯轴磁流体密封装置，包括两端开口的外壳2、密封组件和用于将密封组件压紧于外壳2内的端盖10；所述密封组件包括轴1，所述轴1通过轴承转动地安装于外壳2内，所述轴1包括一个凸阶梯部101，所述凸阶梯部101包括5个依次沿轴向排列的台阶，相邻台阶的外壁之间通过圆角状过渡面连接；每个过渡面外套设有与该过渡面匹配的极靴，所述极靴向过渡面外侧方向（过渡面直径缩减方向）延伸至该过渡面侧部相应台阶所对应位置，所述极靴的内壁与相应过渡面、台阶之间均留有间隙，所述极靴内壁上和轴1上与极靴内壁相对应的部位开设有极齿；相邻极靴之间设有永磁体。
其中，所述凸阶梯部101包括1个第一台阶1011、2个第二台阶1012和2个第三台阶1013，所述第一台阶1011、第二台阶1012和第三台阶1013的直径依次减小，所述2个第二台阶1012和2个第三台阶1013依次对称分布于第一台阶1011两侧。各相邻台阶之间通过圆角状过渡面连接，所述阶梯部外，从左至右，与各过渡面相对应的位置分别套设有左一极靴22、左二极靴19、右二极靴17和右一极靴15。从左至右，上述各相邻极靴之间分别设有左一永磁体7、中间永磁体8和右一永磁体9，相邻永磁体的相邻侧磁极相同。
所述极齿包括轴向极齿和过渡极齿，轴向极齿设置于与台阶相对应的极靴内壁上，过渡极齿设置于过渡面上。相应地，左一极靴22与第三台阶1013相对应的内壁上设有第一左轴向极齿5，与左一极靴22相对应的过渡面上设有第一左过渡极齿6；左二极靴19与第二台阶1012相对应的内壁上设有第二左轴向极齿，与左二极靴19相对应的过渡面上设有第二左过渡极齿。右一极靴15与第三台阶1013相对应的内壁上设有第一右轴向极齿11，与右一极靴15相对应的过渡面上设有第一右过渡极齿10；右二极靴17与第二台阶1012相对应的内壁上设有第二右轴向极齿，与右二极靴17相对应的过渡面上设有第二右过渡极齿。
所述间隙大小为3mm。
所述极靴的外壁上设有环状凹槽，所述环状凹槽内设有密封圈。相应地，左一极靴22、左二极靴19、右二极靴17和右一极靴15外壁上的环状凹槽内分别设有左一密封圈21、左二密封圈20、右二密封圈18和右一密封圈16。
单个凸阶梯部中，最外侧的两个极靴的外侧分别设有第一隔磁环4和第二隔磁环12。
所述轴承的数量为两个，分别为第一轴承3和第二轴承13，且分别设置于第一隔磁环4和第二隔磁环12的外侧。
所述端盖14可拆卸地固定于外壳2右端。
装配时，主要包括如下步骤：
（1）将左一密封圈21安装在左一极靴22外圆面上的凹槽内；
将左二密封圈20安装在左二极靴19外圆面上的凹槽内；
将右二密封圈18安装在右二极靴17外圆面上的凹槽内；
将右一密封圈16安装在右一极靴15外圆面上的凹槽内；
（2）将中间永磁体8、左二极靴19、左一永磁体7、左一极靴22从轴的左侧依次安装在轴1上；
将磁流体注入在左一极靴22、左二极靴19与轴1形成的密封间隙内；
将右二极靴17、右一永磁体9、右一极靴15从轴的右侧依次安装在轴1上；
将磁流体注入在右二极靴17、右一极靴15与轴1形成的密封间隙内；
（3）将第一隔磁环4、第一轴承3从轴的左侧顺依次安装在轴1上；
将第二隔磁环12、第二轴承13从轴的右侧依次安装在轴1上，形成密封组件；
（4）将密封组件安装在外壳2内，通过端盖14与外壳2的螺纹连接压紧右轴承13的外圈；实现一种凸阶梯轴磁流体密封。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种凸阶梯轴磁流体密封装置，包括两端开口的外壳（2）、密封组件和用于将密封组件压紧于外壳（2）内的端盖（14）；所述密封组件包括轴（1），所述轴（1）通过轴承转动地安装于外壳（2）内，其特征在于，所述轴（1）包括至少一个凸阶梯部（101），所述凸阶梯部（101）包括多个依次沿轴向排列的台阶，相邻台阶的外壁之间通过圆角状过渡面连接；每个过渡面外套设有与该过渡面匹配的极靴，所述极靴向过渡面一侧或两侧方向延伸至该过渡面侧部相应台阶所对应位置，所述极靴的内壁与相应过渡面、台阶之间均留有间隙，所述间隙大小为2-5mm，所述极靴内壁上和轴（1）上与极靴内壁相对应的部位开设有极齿；相邻极靴之间设有永磁体；所述极齿包括轴向极齿和过渡极齿，轴向极齿设置于台阶上和与台阶相对应的极靴内壁上，过渡极齿设置于过渡面上和与过渡面相对应的极靴内壁上；所述凸阶梯部（101）包括1个第一台阶（1011）、2个第二台阶（1012）和2个第三台阶（1013），所述第一台阶（1011）、第二台阶（1012）和第三台阶（1013）的直径依次减小，所述2个第二台阶（1012）和2个第三台阶（1013）依次对称分布于第一台阶（1011）两侧。
2.根据权利要求1所述的凸阶梯轴磁流体密封装置，其特征在于，当台阶的数量超过2个时，沿轴向分布的相邻永磁体的相邻侧磁极相同。
3.根据权利要求1所述的凸阶梯轴磁流体密封装置，其特征在于，所述极靴的外壁上设有环状凹槽，所述环状凹槽内设有密封圈。
4.根据权利要求1所述的凸阶梯轴磁流体密封装置，其特征在于，单个凸阶梯部中，最外侧的两个极靴的外侧分别设有第一隔磁环（4）和第二隔磁环（12）。
5.根据权利要求1所述的凸阶梯轴磁流体密封装置，其特征在于，所述轴承的数量为两个，分别为第一轴承（3）和第二轴承（13），且分别设置于凸阶梯部的两侧。
6.根据权利要求1所述的凸阶梯轴磁流体密封装置，其特征在于，所述端盖（14）可拆卸地固定于外壳（2）右端。
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