一种高速轮轴用轴向密封环

技术领域

本发明涉及轴向密封技术领域，具体涉及一种高速轮轴用轴向密封环。

背景技术

当前国内外常用的轴向密封形式主要有垫片密封、迷宫密封、填料密封、机械密封和螺旋密封等，可用于高速或超高速转动结构的密封常用形式有迷宫密封和机械密封；

其中迷宫密封大体是在轮轴周围设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。对液体，有流体力学效应，其中包括水力磨阻效应、流束收缩效应；对气体，还有热力学效应，即气体在迷宫中因压缩或者膨胀而产生的热转换；此外，还有“透气效应”等。而迷宫效应则是这些效应的综合反应，所以说，迷宫密封机理是很复杂的。

机械密封大体是指由至少一对垂直于旋轮轴线端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合且相对滑动所构成的防止流体泄漏的装置，常用机械密封结构由静止环(静环)、旋转环(动环)、弹性元件弹簧座、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈和静止环辅助密封圈等元件组成，防转销固定在压盖上以防止静止环转动。

但无论是机械密封亦或是迷宫密封，其结构都较为复杂，制造成本较高。

发明内容

(一)本发明所要解决的问题是：传统的机械密封亦或是迷宫密封，其结构都较为复杂，制造成本较高。

(二)技术方案

一种高速轮轴用轴向密封环，包括轮毂、环体和轮轴，所述轮毂、所述环体和所述轮轴同轴设置；

所述环体安装于所述轮毂的内侧面和所述轮轴的外侧面之间；

在所述轮轴的外侧面上开设有轴槽，所述环体套在所述轴槽内；

所述环体为圆环状，且所述环体的侧面开设有完全贯通所述环体的Z形断口。

根据本发明的一个实施例，所述环体的内侧面与所述轴槽的内侧面之间形成有第一环向间隙，所述环体的外侧面与所述轮毂的内侧面之间形成有第二环向间隙。

根据本发明的一个实施例，所述环体具有相对的第一侧端面和第二侧端面，所述环体的第一侧端面与所述轴槽的内顶壁之间形成有第一接触间隙，所述环体的第二侧端面与所述轴槽的内底壁之间形成有第二接触间隙。

根据本发明的一个实施例，所述Z型断口包括依次相连通的第一断口、第二断口和第三断口；

所述第一断口和所述第三断口均平行于所述环体的轴线，所述第一断口从所述环体的第一侧端面朝所述第二侧端面延伸，所述第二断口从所述环体的第二侧端面朝所述第一侧端面延伸。

根据本发明的一个实施例，所述第二断口内具有第一斜面和第二斜面，所述第一斜面在所述环体轴线所在的一个平面上的投影与所述轴线形成夹角。

根据本发明的一个实施例，所述第一斜面和所述第二斜面相平行，或，所述第一斜面和所述第二斜面相交。

根据本发明的一个实施例，所述第一断口内具有第一断面和第三断面，所述第一断面和所述第三断面相平行，或，所述第一断面和所述第三断面相交。

根据本发明的一个实施例，所述第三断口内具有第二断面和第四断面，所述第二断面和所述第四断面相平行，或，所述第二断面和所述第四断面相交。

根据本发明的一个实施例，所述第一断口的高度小于所述环体厚度的一半，所述第三断口的高度小于所述环体厚度的一半。

根据本发明的一个实施例，所述夹角的范围为84°-89°。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种高速轮轴用轴向密封环，包括：轮毂、环体和轮轴，轮毂、环体和轮轴同轴设置；环体安装于轮毂的内侧面和轮轴的外侧面之间；在轮轴的外侧面上开设有轴槽，环体套在轴槽内；环体为圆环状，且环体的侧面开设有完全贯通环体的Z形断口。通过轮轴的转动带动环体转动，产生的离心力用于克服密封环的固有弹性及其与轴槽的摩擦，同时由于Z形断口的存在，使得环体发生径向变形，使环体的直径增大，有效增大密封环与轴槽的接触压力，进而减小了环体与轴毂之间的间隙，起到了更好的密封效果，且结构简单、制造成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的切除部分轮毂后的结构图；

图2为本发明实施例提供的环体的结构图；

图3为本发明实施例提供的截面图；

图4为本发明提供的图1的俯视图。

图标：1-轮毂；2-轮轴；3-环体；301-第一断面；302-第一斜面；303-第二断面；4-第一环向间隙；5-第一接触间隙；6-第二接触间隙；7-第二环向间隙。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，图1为轮毂1、环体3和轮轴2的装配图，但是切除了部分轮毂1，图2为环体3的结构图，本发明的一个实施例提供了一种高速轮轴用轴向密封环，包括轮毂1、环体3和轮轴2，轮毂1、环体3和轮轴2同轴设置，环体3为活塞环；

其中，轮毂1的内径大于密封环的外径，密封环的外径大于轮轴2的外径，环体3安装于轮毂1的内侧面和轮轴2的外侧面之间；

在轮轴2的外侧面上开设有轴槽，轴槽为环状凹槽，环体3嵌套在轴槽内；

环体3为圆环状，且环体3的侧面开设有完全贯通环体3的Z形断口。

在本实施例中，如图2所示，环体3具有相对的第一侧端面和第二侧端面，其中，从图2看，第一侧端面为环体3的上表面，第二侧端面为环体3的下表面，Z型断口包括依次相连通的第一断口、第二断口和第三断口；

第一断口和第三断口均平行于环体3的轴线，第一断口从环体3的第一侧端面朝第二侧端面延伸，第二断口从环体3的第二侧端面朝第一侧端面延伸，第二断口从第一断口的下端延伸至第三断口的上端；

更进一步的，第一断口从环体3上表面延伸至靠近环体3的中间位置，即，第一断口的高度小于环体3厚度的一半，同样的，第三断口的高度小于环体3厚度的一半；

可选的，第一断口的高度与第三断口的高度相同。

在本实施例中，如图2所示，第一断口内具有第一断面301和第三断面，第二断口内具有第一斜面302和第二斜面，第三断口内具有第二断面303和第四断面；

其中，第一断面301、第一斜面302和第二断面303依次相连接，形成两个台阶，第一断面301与环体3的上表面形成一个台阶，第一斜面302与第二断面303形成一个台阶，第一断面301和第二断面303相平行，从图2的视角看，第一断面301、第一斜面302和第二断面303依次相连接形成躺倒的Z状；

其中，第三断面、第二斜面和第四断面依次相连接，也形成两个台阶，第三断面和环体3的上表面形成一个台阶，第二斜面和第四断面形成一个台阶，第三断面和第四断面相平行；

作为一种具体的实施例，如图3和图1所示，环体3的内侧面与轴槽的内侧面之间形成有第一环向间隙4，环体3的外侧面与轮毂1的内侧面之间形成有第二环向间隙7，环体3的第一侧端面与轴槽的内顶壁之间形成有第一接触间隙5，环体3的第二侧端面与轴槽的内底壁之间形成有第二接触间隙6。

如图3所示，轮轴2静止时，环体3靠其固有弹性卡在轴槽内，此时第一环向间隙4较小，可提供环体3与轮轴2之间的摩擦力，环体3的外侧面与轮毂1的内侧面之间形成有第二环向间隙7，第二环向间隙7的宽度足够使得环体3的外侧面与轮毂1的内侧面之间无摩擦，同时，环体3的第一侧端面和轴槽的内顶壁之间也无摩擦，环体3的第二侧端面和轴槽的内底壁之间也无摩擦；

当轮轴2转动时，由于环体3的内侧面与轴槽的内侧面之间具有摩擦力，使得环体3与轮轴2同步转动，同时产生离心力，由于Z形断口将环体3断开，使得环体3的两端呈自由端，这样环体3在离心力作用下发生径向扩展，导致环体3的内侧面和轴槽的内侧面之间的第一环向间隙4的宽度随之扩大，直至环体3的内侧面和轴槽的内侧面之间再无接触，无法继续提供摩擦力；

但受到离心力作用，Z形断口处的环体3发生环向位移，即，靠近Z型断口处的环体3在离心力作用下发生径向扩展，这样环体3的上表面与轴槽内顶壁的接触面积增大，环体3的下表面与轴槽内底壁的接触面积增大，以至于环体3与轴槽发生接触压力，实现环体3与轮轴2的同步转动。

即，随着轮轴2的旋转，第一环向间隙4处的摩擦力逐渐消失，随轮轴2转速不断增加，密封环扩展尺寸增加，Z形断口接触位置的轴向厚度增加，使得密封环上表面与轴槽内顶壁之间的摩擦力和密封环下表面与轴槽内底壁之间的摩擦力均逐渐增大，在达到一定的转速后可使该摩擦力与增加转速产生的离心力平衡，即，导致密封环处于抱死状态，这样既缩小了第二环向间隙7的大小，使密封环与轮毂1之间的密封效果增加，又可保证该两者间具有一定的间隙量，使其不至于发生干摩擦。

根据一个具体的实施例，第一斜面302在环体3轴线所在的一个平面上的投影与轴线形成夹角，具体的，如图4所示，从A-A的剖视面为轴线所在的平面，第一斜面302在A-A剖面上的投影与A-A剖面上环体3的轴线之间形成夹角，该夹角的范围为84°～89°。进一步的，该夹角的具体值根据轮轴2的线速度的变化而变化。

具体的，在密封环及所属结构的尺寸、工作环境明确的情况下，通过已知条件确定密封环的抗弯刚度后，可得到倾斜角度与转速之间的对应关系，并可通过试验验证其设定的合理性。

经过多次试验得出，当轮轴2表面线速度在60～90m/s时，第一斜面302与轴线夹角分布于88°～89°之间；

当轮轴2表面线速度在90～120m/s时，第一斜面302与轴线夹角分布于86°～88°之间，当轮轴2表面线速度在120～160m/s时，第一斜面302与轴线夹角分布于84°～86°之间。

根据一个具体的实施例，第一斜面302和第二斜面相平行，同时，第一断面301和第三断面相平行，第二断面303和第四断面相平行。

可选的，第一断面301和第三断面相交，第一斜面302和第二斜面相平行，第二断面303和第四断面相平行，此时的第一断口呈缺口状；

可选的，第一断面301和第三断面相平行，第一斜面302和第二斜面橡相交，第二断面303和第四断面相平行。

可选的，第一斜面302和第二斜面相平行，同时，第一断面301和第三断面相平行，但是此时第二断面303和第四断面相交，即，此时的第三断口呈缺口状。

工作原理，随轮轴2的转速增加，密封环扩展尺寸增加，Z形断口接触位置的轴向厚度增加，使得密封环上表面与轴槽内顶壁之间的摩擦力和密封环下表面与轴槽内底壁之间的摩擦力均逐渐增大，可有效增大密封环与轴槽的接触压力，在达到一定的转速后可使该摩擦力与增加转速产生的离心力平衡，以保证密封环与轮轴2同步转动；

轮轴2转动带动密封环提供的离心力可克服密封环的固有弹性及其与轴槽的接触摩擦力，随转速的增加其扩口不断增大，直至达到力的平衡，该过程在一定程度上增大了活塞环的直径，使其与轮毂1之间的间隙量变小，密封效果提升。

传统的迷宫密封或机械避免，其结构都较为复杂，制造成本较高，且均占用结构的轴向及径向尺寸较多而在应用范围上有较多的局限性。

而本密封方式相较于传统的机械密封或迷宫密封，其通过轮轴2的转动带动密封环转动，产生的离心力用于克服密封环的固有弹性及其与轴槽的摩擦而发生径向变形，使活塞环的直径增大，有效地减小了活塞环与轮毂1之间的间隙，起到了更好的密封效果，且结构简单、制造成本低，占用较小的轴向及径向尺寸，应用范围更广。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。