真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統的製作方法

2023-05-25 14:05:01 1

真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種真空低溫環境下適用的大口徑旋轉動密封系統，包括一個動密封圈、兩個靜密封圈及兩套平行的真空抽氣系統，所述動密封圈包括一體成型的三道唇形擋圈，由塑性材料的圓筒形毛坯在其側壁上依次加工出等距離的三道唇口，相當於三道密封，每兩個唇口之間在上述圓筒形毛坯的徑向上開設有一個通孔，真空容器外設置的兩套平行的真空抽氣系統通過唇口之間的兩個通孔向容器外抽氣，在動密封圈的安裝面上設置有靜密封圈。本發明密封系統，明顯提高了真空下大口徑旋轉動密封的效果；同時該系統軸向安裝空間小，可在狹小的安裝空間下解決大口徑旋轉動密封需求；優化後的密封圈唇口變形大且具有恢復效應，既保證了密封效果又解決了密封圈過早磨損問題。
【專利說明】真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於空間環境模擬領域，具體涉及一種用於真空低溫環境下的旋轉動密封系統。
【背景技術】
[0002]在太空飛行器在地面真空容器內使用太陽模擬器進行真空熱試驗時，太空飛行器一般安裝在運動模擬器上。通過運動模擬器調節太空飛行器的姿態，使太空飛行器以不同的角度接收太陽模擬器光束的輻照，以保證太空飛行器與太陽光束的角度關係與在軌飛行條件相同或相近，或者與總體設計時的外熱流環境相同。大口徑旋轉動密封系統(通常是指口徑在Φ500πιπι以上)是運動模擬器的關鍵部件之一，用以滿足高真空下密封腔體的旋轉動密封需求。
[0003]運動模擬器在真空低溫環境下工作，真空度高達lX10_5Pa，溫度最低達到約_170°C。真空低溫環境對大口徑旋轉動密封裝置提出了苛刻的要求，普通密封結構難以在該環境下正常工作，國內目前還未有類似應用先例。
[0004]通常，真空密封的主要方式包括真空用橡膠密封圈、真空用金屬密封圈密封、採用軟變形的動聯接密封、真空用磁流體密封和磁聯接的隔板密封5種。但是，以上幾種密封結構的工作溫度約為-25 V?80°C，嚴重受到溫度條件的限制；普通橡膠密封圈容易過早磨損，而磁流體密封和磁聯接板密封結構複雜，且存在易洩漏和真空側軸承潤滑不良的問題。
[0005]鑑於現有技術的各種密封方式存在各種技術問題，且難以適用於真空極低溫的工作條件，因此，研製一種新的真空低溫環境下使用的密封系統非常必要。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種結構簡單，適用於真空低溫環境下的大口徑旋轉動密封系統。
[0007]為了實現上述目的，本發明採用了如下的技術方案:
[0008]真空低溫環境下適用的大口徑旋轉動密封系統，包括一個動密封圈、兩個靜密封圈及兩套平行的真空抽氣系統，所述動密封圈包括一體成型的三道唇形擋圈，由塑性材料的圓筒形毛坯在其側壁上依次加工出等距離的三道唇口，相當於三道密封，每兩個唇口之間在上述圓筒形毛坯的徑向上開設有一個通孔(抽氣口)，真空容器外設置的兩套平行的真空抽氣系統通過唇口之間的兩個通孔(抽氣口)向容器外抽氣並通過密封法蘭機械固定連接到密封部件上，在上述動密封圈的安裝面的進出口位置分別設置有一個靜密封圈。
[0009]其中，靜密封圈為O形圈，材料為氟橡膠，用於動密封圈與腔體安裝面進出口的靜密封。
[0010]其中，上述塑性材料為石墨增強型聚四氟乙烯。
[0011]其中，大口徑旋轉轉動密封系統是指口徑在Φ500πιπι以上。
[0012]其中，真空抽氣系統的抽氣管與動密封圈的通孔的直徑相匹配。
[0013]進一步地，真空抽氣系統有兩套，並聯安裝，分別包括抽氣管、擋板閥(或插板閥)、壓力計、手動閥和真空泵。
[0014]進一步地，真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統還包括由真空動密封裝置引出的兩根金屬軟管，外徑為Φ10_，有效通氣口徑為Φ8_，分別通過真空容器法蘭引出容器夕卜，各與一個真空抽氣系統相連接。
[0015]其中，大口徑旋轉轉動密封系統是指口徑在Φ500πιπι以上。
[0016]其中，真空容器法蘭的外部包覆有10層隔熱材料，以儘可能減少熱量損失，能使動密封系統工作溫度保持在20°C ±10°C ；
[0017]進一步地，隔熱材料採用雙面鍍有金屬膜的反射屏，屏間置有隔熱材料。
[0018]本發明的大口徑旋轉動密封系統與現有的密封系統相比，明顯提高了真空下大口徑旋轉動密封的效果；同時該系統軸向安裝空間小，可在狹小的安裝空間下解決大口徑旋轉動密封需求；優化後的密封圈唇口變形大且具有恢復效應，既保證了密封效果又解決了密封圈過早磨損問題。該大口徑旋轉動密封系統採用密封法蘭外部包覆隔熱多層、被密封腔體內通有循環空氣的溫控系統，實現了整個大口徑旋轉動密封系統在低溫環境下的穩定可靠工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統的結構示意圖。
[0020]其中，1-密封圈；2_密封法蘭；3_抽氣管；4_真空抽氣系統；5_真空容器；6-旋轉軸。
[0021]圖2為本發明的真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統中使用的結構示意圖。
[0022]其中，21-0形密封圈；22_動密封圈；23_抽氣口 ；24_唇形擋圈。
[0023]圖3為本發明的真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統中使用的真空抽氣系統結構原理圖。
[0024]其中，31-密封圈；32_擋板閥(或插板閥)；33_壓力計；34_手動閥；35_真空泵。【具體實施方式】
[0025]以下介紹的是作為本
【發明內容】
的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本
【發明內容】
作進一步的闡明。當然，描述下列【具體實施方式】只為示例本發明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發明範圍。
[0026]圖1是本發明真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統的結構示意圖，該密封系統包括密封圈I，密封法蘭2，抽氣管3，真空抽氣系統4，真空容器5，旋轉軸6，密封圈I通過抽氣管3與真空抽氣系統4連接並通過密封法蘭2機械固定連接，除真空抽氣系統系統外，其他各部件設置在真空容器4內部，密封圈1、密封法蘭2和抽氣管3在旋轉軸6轉動時均保持固定不動；其中，如圖2所示，本發明的密封系統中使用的密封圈I包括一個動密封圈22和兩個O形密封圈21 ;動密封圈22包括三道唇形擋圈24，由塑性材料的圓筒形毛坯在其側壁上依次等距離加工而成，相當於三道密封，每兩個唇形擋圈24之間在上述圓筒形毛坯的徑向上開設有一個抽氣口 23，真空容器外設置的真空抽氣系統4通過唇形擋圈24之間的抽氣口 23向容器外抽氣；上述塑性材料為石墨增強型聚四氟乙烯；該材料摩擦係數小、耐磨性好，有適當的機械強度和硬度，可工作溫度範圍為_70°C?+200°C ;線速度最高為18m/S ;可承受壓力最高為6bar。為使動密封圈達到最優的密封性能，需要對其唇形擋圈進行優化設計。經優化設計後的唇形擋圈的彈性引起的預載隨溫度的升高具有恢復效應。
[0027]通常，為使動密封圈達到最優的密封性能，需要對其結構參數進行優化設計。分別建立不同結構參數的動密封圈三維幾何模型，進行網格劃分，施加負載和約束等邊界條件，計算不同動密封圈厚度和長度及唇形擋圈厚度等參數條件下的計算模型。最終得到不同結構參數條件下，動密封裝置密封效果。
[0028]在一具體的實施方式中，動密封圈內徑為Φ800_，優化後的動密封圈主要結構參數如下:厚度為15mm,沿軸向長度為53.8mm,唇形擋圈厚度2mm。加工時,經材料成型、粗車、鑽孔、精車、精磨等一系列工序加工而成。
[0029]在另一【具體實施方式】中，兩個O形密封圈21安裝在動密封圈22的安裝面的進出口位置，兩個O形密封圈21的材料為氟橡膠，有良好的密封性，用於動密封圈與安裝面進出口處的靜密封。
[0030]本發明的密封系統中使用的溫控系統是為了克服動密封系統在低溫環境下工作溫度的限制而設計的；由於被密封腔體內部通有常溫的循環空氣，因此，在密封法蘭外部包紮10層隔熱材料，以儘可能減少熱量損失，能使動密封系統工作溫度保持在20°C ±10°C ；隔熱材料採用雙面鍍有金屬膜的反射屏，屏間置有間隔材料。
[0031]在一具體的實施方式中，動密封圈22上開設的抽氣口 23引出2根抽氣管，分別通過真空容器法蘭引出容器外，各與一個真空抽氣系統4相連接；抽氣管尺寸與動密封圈抽氣口的直徑相匹配；真空抽氣系統依據動密封圈的密封效果，必要時才開啟工作，同時通過開啟擋板閥可監視動密封圈唇口間的壓力。
[0032]圖3是真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統中使用的真空抽氣系統結構原理圖。該真空抽氣系統是公知的系統，其包括:密封圈31、擋板閥(或插板閥)32、壓力計33、手動閥34、真空泵35。真空系統設計的核心是真空泵的選擇，根據所需真空度和抽速的要求選配合適的乾式真空泵，真空泵35通過抽氣管與動密封圈22連接對其進行抽氣。真空系統配備擋板閥32用於根據密封情況需要控制是否開啟真空系統，手動閥34用來控制抽氣速度的大小以在動密封圈唇形擋圈形成的兩個密封腔體內形成不同的壓力，壓力計33用於對抽氣過程的真空度進行監測。通過真空系統的抽氣設計，一方面使上述兩個密封腔體內積聚的漏氣量能及時抽走，另一方面減小密封圈內外形成的壓差，通過過渡壓力降低動密封的漏氣速率，最終保證動密封系統工作的穩定可靠。
[0033]在使用過程中安裝密封圈時，先檢測密封圈定位孔和旋轉軸圓度，每隔45°測量一次，共8點，主軸旋轉90°、180°、270°各測一圈，據此，調節密封圈安裝角度使密封間隙均勻化；密封圈安裝完成後進行真空抽氣系統管路、容器外閥門及真空泵的安裝，在兩個抽氣管安裝時，將抽氣管插入密封法蘭安裝口內，確保抽氣管不會與其他零件幹涉後，再將抽氣管與試件法蘭焊接固定。
[0034]其中，抽氣管經真空容器法蘭引出容器，在容器外依次完成擋板閥、壓力計、手動閥和真空泵的安裝。
[0035]本發明的旋轉動密封系統具有以下改進效果:
[0036](I)適用於真空度高達lX10_5Pa、溫度最低達到約_170°C環境下旋轉動密封需求，密封介質為空氣；[0037](2)密封口徑大於Φ 500mm，且軸向安裝空間小，解決了大口徑真空動密封難題；
[0038](3)採用密封法蘭外部包覆隔熱多層、腔體內通有循環空氣的溫控技術，實現了動密封裝置在低溫環境下的穩定可靠工作。
[0039]儘管上文對本發明的【具體實施方式】進行了詳細的描述和說明，但應該指明的是，我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發明的精神和所附的權利要求所記載的範圍。
【權利要求】
1.真空低溫環境下適用的大口徑旋轉動密封系統，包括一個動密封圈、兩個靜密封圈及兩套平行的真空抽氣系統，所述動密封圈包括一體成型的三道唇形擋圈，由塑性材料的圓筒形毛坯在其側壁上依次加工出等距離的三道唇口，相當於三道密封，每兩個唇口之間在上述圓筒形毛坯的徑向上開設有一個通孔(抽氣口)，真空容器外設置的兩套平行的真空抽氣系統通過唇口之間的兩個通孔(抽氣口)向容器外抽氣並通過密封法蘭機械固定連接到動密封的部件上，在上述動密封圈的安裝面的進出口位置分別設置有一個靜密封圈。
2.如權利要求1所述的大口徑旋轉動密封系統，其中，靜密封圈為O形圈，材料為氟橡膠，用於動密封圈與腔體安裝面進出口的靜密封。
3.如權利要求1所述的大口徑旋轉動密封系統，其中，所述塑性材料為石墨增強型聚四氟乙烯。
4.如權利要求1-3任一項所述的大口徑旋轉動密封系統，其中，大口徑旋轉轉動密封系統是指口徑在Φ 500mm以上。
5.如權利要求1-3任一項所述的大口徑旋轉動密封系統，其中，真空抽氣系統的抽氣管與動密封圈的通孔的直徑相匹配。
6.如權利要求5所述的大口徑旋轉動密封系統，其中真空抽氣系統有兩套，並聯安裝，分別包括抽氣管、擋板閥(或插板閥)、壓力計、手動閥和真空泵。
7.如權利要求1所述的大口徑旋轉動密封系統，其中真空低溫環境下大口徑旋轉動密封系統還包括由真空動密封部件引出的兩根金屬軟管，外徑為Φ 10_，有效通氣口徑為φ 8mm,分別通過真空容器法蘭引出容器外，各與一個真空抽氣系統相連接。
8.如權利要求7所述的大口徑旋轉動密封系統，其中，真空容器法蘭的外部包覆有10層隔熱材料，能使動密封系統工作溫度保持在20°C 土 10°C。
9.如權利要求1-3任一項所述的大口徑旋轉動密封系統，其中，隔熱材料採用雙面鍍有金屬膜的反射屏，屏間置有隔熱材料。
【文檔編號】F16L59/08GK103603954SQ201310538242
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】楊林華, 肖慶生, 董雷, 王軍偉, 呂世增, 龔潔, 郭峰 申請人:北京衛星環境工程研究所