一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封

摘要

本发明公开了一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封，该高尔夫球杆型非弹性体柔性密封结构由高尔夫杆体密封环与O型密封圈组成。压缩后的O型圈为高尔夫杆体密封环提供弹力与预紧力，实现高尔夫杆体密封环与旋转轴时刻保持过盈的装配关系，保障有效的接触式密封。高尔夫球杆型非弹性体柔性密封从结构上创新，实现了非弹性体材料(此发明中指PTFE材料)加工形成的密封件具有“柔性”。高尔夫杆体圆环段上与旋转轴呈线接触区域定义为唇状结构，采用线接触的方式有效减小了摩擦副接触面积，减少摩擦生热与材料磨损。该结构优秀的退让性与回复性能可以避免轴系冲击载荷与振动(涡动)对唇状结构的永久性破坏，显著延长密封使用寿命。

说明书

技术领域

本发明可应用于频繁承受冲击载荷、振动与偏置载荷较大的轴系滑油系统的油封处，例如汽车、舰船离合器油封，复杂使役环境的动力与传动装置的旋转密封领域。

背景技术

国内船用某大功率离合器密封圈失效，曾多次引发液控系统重大故障，导致摩擦离合器无法接排，严重影响船舶机动性。此外，某型号船用离合器的轴端骨架油封运行过程中磨损严重、寿命短、可靠性低，成为整个船舶传动装置中的最不稳定因素。此外，我国坦克装甲车辆综合传动装置离合器配油衬套所使用的密封圈目前仍然依赖进口，自主设计能力较弱，国产密封圈往往存在磨损严重、寿命短、可靠性低等不足。为了适应多变的国际形势，提升装备的自主可控水平，亟需开展离合器用先进密封设计方法研究。

随着各类型动力传动装置性能参数的不断提高，对密封效果、寿命与可靠性也提出了更高的要求，不仅要求密封效率、耐高低温性能、耐腐蚀性等，而且还要求密封可靠、使用寿命长，为适应各类型装备在复杂使役环境下的密封性能、磨损、寿命与可靠性的新需求，目前需要从密封材料与密封结构两方面入手，开发新的密封技术，突破我国高端动力传动装备的密封瓶颈问题。

针对橡胶材料骨架油封高线速度下的高温升问题、剧烈磨损问题、橡胶老化与寿命问题，早已有众多学者开展了系统的研究，并开发出了各类型改进的唇型密封或骨架油封。近些年，越来越多的学者开始关注聚四氟乙烯(PTFE)材料及其改性，聚四氟乙烯具有很好的自润滑特性，其磨损率极低，耐高温与低温，是作为接触式密封的优良材料。此外，为进一步改善材料属性，研究人员们认为改性填料的加入使得PTFE密封材料的结晶度下降，熔点上升，虽然加入改性填料会导致PTFE密封材料的拉伸强度和断裂伸长率略微下降，但其抗蠕变性能显著提升。

目前，将PTFE材料或其改性材料作为原材料加工密封圈，是传统的骨架油封的主要替代品之一，也是解决骨架油封寿命不足的主要途径之一。

发明人利用PTFE材料加工形成PTFE油封，并依托科研团队的高压高速旋转密封装置开展了大量的试验测试后发现，PTFE油封具有优秀的自润滑特性，其磨损量远小于相同工况下的以橡胶材料为主体的骨架油封。但是，发明人发现，当转子承受冲击载荷或偏置载荷时，或转子存在涡动的情况下，与转子接触的PTFE油封的泄漏量相较传统的橡胶或氟橡胶的骨架油封的泄漏量更大，其使用寿命更短，可靠性更低。经过科研团队大量的分析后发现，由于PTFE材料是非弹性体，相对橡胶等弹性体材料来说较硬，其密封唇边基本不具备退让性，当转子出现扭矩冲击载荷、偏心载荷或涡动时候，PTFE密封的唇边会出现破坏性损伤，该损伤会直接造成泄漏通道，即PTFE油封立即失效。

为解决上述技术难题，本发明提出一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封。采用了PTFE作为密封材料，利用结构上的创新克服传统PTFE油封退让性不足的缺点，提高密封对转子极端工况或复杂使役环境的适应能力，进而避免了轴系冲击与振动对密封唇的破坏性损伤，进而彻底解决PTFE油封在转子承受冲击载荷或偏置载荷时，或转子存在涡动的情况下的泄漏问题，提高密封可靠性，延长密封寿命。

发明内容

本发明公开了一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封，该高尔夫球杆型非弹性体柔性密封结构由高尔夫杆体密封环与O型密封圈组成。压缩后的O型密封圈为高尔夫杆体密封环提供弹力与预紧力，实现高尔夫杆体密封环与旋转轴时刻保持过盈的装配关系，保障有效的接触式密封，进而防止泄漏。高尔夫杆体密封环在空间区域上可划分为外骨架环与高尔夫杆体圆环段，其截面形状类似于一个倒放的高尔夫球杆杆体。由于高尔夫杆体圆环段具有较长的轴向尺寸空间，增加了高尔夫杆体密封环的退让性。因此，高尔夫球杆型非弹性体柔性密封首次从结构上创新，实现了非弹性材料(此发明中指PTFE材料)加工形成的密封件具有“柔性”。高尔夫杆体圆环段上与旋转轴呈线接触区域定义为唇状结构，采用线接触的方式有效减小了摩擦副接触面积，减少摩擦生热与材料磨损，有助于延长密封寿命。由于高尔夫球杆型非弹性体柔性密封结构的特殊性，优秀的退让性与回复性能可以避免轴系冲击载荷与振动(涡动)对唇状结构的永久性破坏，保障了特殊工况与复杂使役环境下的密封可靠性，有助于突破我国高端动力传动装备的某些特殊密封的瓶颈问题。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封，其特征是：外骨架环、高尔夫杆体圆环段、O型密封圈、唇状结构。不同结构的功用如下：高尔夫杆体密封环是密封主体，O型密封圈负责持续提供预紧力，高尔夫杆体密封环在空间区域上可划分为外骨架环与高尔夫杆体圆环段两部分，外骨架环装配在静子侧，高尔夫杆体圆环段为三维空间曲面，高尔夫杆体圆环段与旋转轴系为线接触，高尔夫杆体圆环段上与旋转轴呈线接触区域定义为唇状结构，唇状结构主要起到密封作用，高尔夫杆体圆环段开口侧通常面向密封高压侧，这样流体压力作用下提供更多的压紧力强化密封效果。

如果将外骨架环比喻为人体的“肩膀”，将唇状结构比喻为人体的“手掌”，那么高尔夫杆体圆环段就相当于人体的“大臂与小臂”或者“胳膊”。当“肩膀”固定在静子侧时，由于“胳膊”具有较长的轴向尺寸空间，相当于增加了“肩膀-胳膊-手掌”的自由度，当“手掌”出现较大位移时，通过较长的“胳膊”可以实现卸力并提供较大的退让空间，中心思想是通过加长“胳膊”增加密封件的“结构弹性”，进而保护“肩膀-胳膊-手掌”免受冲击与振动的负面影响。

本发明还可以包括这样一些特征：

1.外骨架环其安装轴向宽度可根据密封空间灵活设置，径向高度应至少远离旋转轴表面25mm。

2.高尔夫杆体圆环段轴向尺寸为外骨架环轴向尺寸的1.5-3倍。高尔夫杆体圆环段轴向尺寸过短无法起到有效退让，无法实现结构弹性与柔性密封，高尔夫杆体圆环段轴向尺寸过长会增加装备密封区域轴向尺寸，导致转子长度增加。

3.O型密封圈持续给予高尔夫杆体密封环一个径向的弹力。

本发明的优势在于：

本发明从工程实际出发，总结传统聚四氟乙烯(PTFE)油封弊端，当转子承受冲击载荷或偏置载荷时，或转子存在涡动的情况下，与转子接触的PTFE油封的泄漏量相较传统的橡胶或氟橡胶的骨架油封的泄漏量更大，其使用寿命更短，可靠性更低。根本原因是，由于PTFE材料是非弹性体，相对橡胶等弹性体材料来说较硬，其密封唇边基本不具备退让性，当转子出现扭矩冲击载荷、偏心载荷或涡动时候，PTFE密封的唇边会出现破坏性损伤，该损伤会直接造成泄漏通道，即PTFE油封立即失效。针对上述工程问题，经过大量理论分析与试验测试，发明人认真总结，大胆创新，提出了一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封。

设计一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封，主要优势体现在：1.继续沿用优秀的密封材料—聚四氟乙烯(PTFE)：该材料有低磨损、自润滑、高耐热、抗腐蚀等诸多优点，其值约为0.09的超低摩擦系数，可以显著降低与高速旋转轴相对运动时产生的摩擦热，是极为理想的高压高速旋转密封材料。2.结构上大胆创新：传统PTFE油封技术应用在某些特殊动力与传动装置上的技术瓶颈主要体现在，轴系的冲击载荷与振动载荷对PTFE油封的密封结构存在破坏性损伤，非弹性材料与“刚性”结构是PTFE油封无法广泛应用于这些动力与传动装备轴系中的根本原因。本发明根据上述问题，通过结构创新，增加非弹性体密封的“结构弹性”，由于高尔夫球杆型非弹性体柔性密封结构的特殊性，优秀的退让性与回复性能可以避免轴系冲击载荷与振动(涡动)对唇状结构的永久性破坏，保障了特殊工况与复杂使役环境下的密封可靠性，有助于突破我国高端动力传动装备的某些特殊密封的瓶颈问题。

附图说明

图1一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封与旋转轴以及静子的装配图；

图2一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封剖面图；

图3一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封与旋转轴的装配关系三维图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图1，一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封1布置在静子2与旋转轴3之间，一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封1是一种动密封，也称之为旋转密封。工作中，一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封1保持静止，旋转轴3以一定的转速旋转。

结合图1-3，一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封1由高尔夫杆体密封环4与O型密封圈5组成。高尔夫杆体密封环4是密封主体，O型密封圈5负责持续地为高尔夫杆体密封环4提供预紧力与弹力，以实现与旋转轴3的接触应力并提供补偿。高尔夫杆体密封环4在空间区域上可划分为外骨架环6与高尔夫杆体圆环段7，外骨架环6装配在静子2中。高尔夫杆体密封环4的截面形状类似于一个倒放的高尔夫球杆杆体。高尔夫杆体圆环段7与旋转轴3为线接触，高尔夫杆体圆环段7上与旋转轴3呈线接触区域定义为唇状结构8，唇状结构8在预紧力与流体压力作用下与旋转轴3表面形成接触应力，可保障一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封1与旋转轴3保持贴合，进而起到密封作用。在O型密封圈5的弹力作用下，可实现对磨损消耗后的唇状结构8进行补偿，保持密封状态。

当旋转轴3承受冲击载荷(如离合器断排与接排过程带来的扭矩冲击)、振动(不对中、不平衡、基础激励与碰磨等因素导致的转子涡动)时，旋转轴3出现瞬时的空间位置改变，这一瞬态过程可能会对唇状结构8与高尔夫杆体圆环段7产生冲击作用力或者异常磨损，导致唇状结构8与高尔夫杆体圆环段7出现塑性变形，形成泄漏通道。在本发明中，创新性地设计了高尔夫杆体圆环段7，其轴向尺寸为外骨架环6的轴向尺寸的1.5-3倍，通过增加高尔夫杆体圆环段7轴向尺寸使得高尔夫杆体密封环4起到有效退让，实现高尔夫杆体密封环4的结构弹性与柔性。通过高尔夫杆体圆环段7的结构创新，增加非弹性体材料PTFE材料为主体的高尔夫杆体密封环4的“结构弹性”，由于高尔夫球杆型非弹性体柔性密封1结构的特殊性，其优秀的退让性与回复性能可以避免轴系冲击载荷与振动(涡动)对唇状结构8的永久性破坏，保障了特殊工况与复杂使役环境下的密封可靠性。

本发明的技术思路是：

为了解决PTFE油封在替代离合器等冲击转子轴端的橡胶材料骨架油封过程中无法承受冲击振动载荷的问题，发明人受人体的肩膀、胳膊与手掌的启发，首次提出了一种适应转子冲击载荷的高尔夫球杆型非弹性体柔性密封。如果将外骨架环比喻为人体的“肩膀”，将唇状结构比喻为人体的“手掌”，那么高尔夫杆体圆环段就相当于人体的“大臂与小臂”或者“胳膊”。当“肩膀”固定在静子侧时，由于“胳膊”具有较长的轴向尺寸空间，相当于增加了“肩膀-胳膊-手掌”的自由度，当“手掌”出现较大位移时，通过较长的“胳膊”可以实现卸力并提供较大的退让空间，中心思想是通过加长“胳膊”增加密封件的“结构弹性”，进而保护“肩膀-胳膊-手掌”免受冲击与振动的负面影响。因此，本发明根据上述思路，通过结构创新成功增加了非弹性体密封的“结构弹性”，由于高尔夫球杆型非弹性体柔性密封结构的特殊性，其优秀的退让性与回复性能可以避免轴系冲击载荷与振动(涡动)对唇状结构的永久性破坏，保障了特殊工况与复杂使役环境下的密封可靠性，彻底解决了传统PTFE油封应用局限性的问题，有助于突破我国高端动力传动装备的某些特殊密封的瓶颈问题。