一种可调式剖分式干运转密封装置及动态运转密封方法与流程

本发明涉及轴端密封，尤其涉及一种可调式剖分式干运转密封装置及动态运转密封方法。

背景技术：

1、在化工、石油、制药、食品加工以及材料合成等领域，存在大量诸如高温卧式反应器、干燥机、卧式螺杆挤料机等在高温、高压及腐蚀性介质环境下连续运行的大型旋转设备。这类设备的转轴与壳体之间通常需要设置轴端密封装置以防止内部介质泄漏。由于大型设备通常结构庞大、笨重，传统的整体式机械密封在维修或更换时，必须先拆卸驱动电机、联轴器及轴承座等周边大型辅助部件，该过程极其耗时费力，会导致设备长时间停机，严重影响生产效率并增加维保成本。因此，行业内逐渐发展出了便于不拆轴在线更换的剖分式机械密封。

2、然而，现有的大型设备转轴在长周期重载运行过程中不可避免地会产生较大的径向偏摆，这对剖分式机械密封的动态适应性提出了极高要求。例如，cn112178195a公开了一种集装轴向双端面剖分式机械密封，其动环通过固定在转轴上的刚性剖分轴套以及圆柱定位销进行机械驱动。这种刚性传动结构在转轴发生径向偏摆时，会将转轴的振动和偏摆位移直接刚性传递给密封动环，极易导致动静环密封端面发生瞬间脱离或严重偏磨，进而引发介质泄漏。此外，cn203363185u公开了一种剖分式机械密封，其利用箍紧环将剖分的动环直接锁紧固定在动环座上。这种结构同样缺乏在转轴与动环之间的有效柔性缓冲机制，难以吸收大型设备中常见的强径向偏摆冲击。

3、另一方面，在高温运转工况下，转轴的热膨胀以及扭矩的同步稳定传递也是现有剖分式密封难以克服的技术瓶颈。例如，cn101910691a公开了一种剖分式机械密封，其在剖分密封环与旋转轴之间采用普通的剖分o型密封圈进行密封防漏。但在实际的高温高负荷运转中，这种点线接触的剖分o型密封圈不仅难以提供足够的摩擦力来稳定传递高扭矩，而且在面临转轴高温热胀及高速离心力时，其剖分切断面极易发生退避或被拉开产生宏观间隙，导致扭矩传递打滑失效及气密性丧失。

4、此外，机械密封在运行过程中，密封端面会发生不可避免的正常磨损。在cn112178195a的方案中，提供端面贴合推力的弹簧被内置于静环座或推环内部的封闭盲孔中。当密封端面磨损量变大或工况介质压力发生波动时，这种内置式的弹簧结构无法在设备不停机运转的情况下进行推力补偿或高度调节，一旦内置弹簧力不足以抵消介质反推力或提供足够的浮动力，将直接引发密封失效。

5、综上所述，现有的剖分式机械密封普遍存在传动结构刚性过强导致抗径向偏摆适应性差、高温热胀状态下内部剖分密封件易打滑退避而无法稳定传递扭矩、以及弹性加载补偿组件无法在线实时调节等技术缺陷，难以满足大型设备在宽压域及高温工况下的高可靠性自适应连续运转需求。

6、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明提供了一种可调式剖分式干运转密封装置及动态运转密封方法，以解决上述至少部分技术问题。

2、本发明公开了一种可调式剖分式干运转密封装置，其包括：

3、静止端组件，被配置为便于在线拆装的全剖分结构，包括沿轴向依次拼接的压盖与密封腔，以及分别支撑于内侧的介质侧静环和大气侧静环；

4、动密封装配体，被配置为全剖分结构，包括介质侧动环、大气侧动环以及夹设于两者之间的柔性的密封带；介质侧动环的端面与介质侧静环的端面贴合，大气侧动环的端面与大气侧静环的端面贴合，以构成双端面密封；

5、弹性加载组件，用于提供轴向机械推力，轴向机械推力沿轴向传递以迫使上述密封端面保持动态贴合，且弹性加载组件被配置为推力可调节的结构；

6、其中，密封带呈环抱状紧固于旋转轴外部，介质侧动环与大气侧动环分别与密封带形成径向过盈配合；密封带依靠与旋转轴及两侧动环的配合维持相对静止以同步传递扭矩，并通过自身的柔性形变吸收旋转轴的径向偏摆。

7、本发明所提供的可调式剖分式干运转密封装置，通过全剖分静止端与动密封装配体的基础架构配合柔性密封带传递扭矩，解决了大型设备密封在线拆装困难及抗偏摆能力较弱的技术问题。现有技术（如cn112178195a公开的集装剖分式机械密封）通过直接固定在主轴上的刚性剖分轴套驱动动环旋转，这种刚性传动结构在主轴发生径向偏摆时，会将偏摆冲击力直接传递至密封端面，容易导致动静环端面瞬时脱开或引发端面偏磨。本技术采用柔性密封带替代传统刚性驱动部件，将其夹设于介质侧动环与大气侧动环之间。密封带在受挤压状态下环抱旋转轴，依靠配合界面的静摩擦力维持相对静止以同步传递扭矩。在运转过程中，当旋转轴发生径向偏摆时，柔性密封带在径向上充当了吸振阻尼层，通过自身的材料弹性形变吸收偏摆位移，使得两侧的动环部件无需跟随旋转轴发生同幅度的径向跳动。该结构在实现大型设备免拆主轴在线维保的同时，阻断了偏摆冲击力向密封端面的刚性传递路径，提高了双端面密封的动态贴合稳定性。

8、根据一种优选实施方式，密封带的内孔两侧边缘朝向中心轴线倾斜设置有倒角，以使密封带的内孔形成中部的平直段；

9、当密封带被两侧动环夹紧时，密封带外周与动环内孔台阶相配合的第一轴向长度，大于平直段与旋转轴实质接触的第二轴向长度。

10、进一步地，本装置通过对密封带内孔两侧边缘设置倒角，并限定其外周配合的第一轴向长度大于内孔实质接触的第二轴向长度，克服了柔性密封带在受压受热时因无序变形导致的传扭打滑问题。在密封装配体内，当密封带受到外侧动环的机械夹紧挤压时，两侧的倒角结构在径向上提供了变形释放空间，使得径向过盈挤压量能够被定向引导至中部的平直段并向内传递至旋转轴表面，避免橡胶材料局部发生干涉或翻边。同时，配合长度大于有效接触长度的尺寸差限定，从几何层面上使得密封带与动环之间的有效接触面积大于其与旋转轴的接触面积。在接触法向压力相同的条件下，该尺寸差设计为内外界面产生静摩擦力差值建立了底层的结构基础，以维持扭矩从旋转轴稳定传递至密封带及外侧动环，减少内部滑脱的风险。

11、根据一种优选实施方式，介质侧动环与大气侧动环的内孔台阶处的表面粗糙度，大于旋转轴与平直段配合区域的表面粗糙度；

12、以使密封带与两侧动环之间的静摩擦系数大于密封带与旋转轴之间的静摩擦系数。

13、在摩擦力差异化设计方面，本技术通过限定动环内孔台阶处表面粗糙度大于旋转轴配合区域表面粗糙度，巩固了密封带传动的防滑移机制。结合上述的尺寸差设计，内外侧表面粗糙度的差异化控制使得密封带与两侧动环之间的静摩擦系数大于其与旋转轴的静摩擦系数。这种物理属性的设定使得在重载或扭矩波动工况下，密封带与两侧动环能够作为一个整体同步运转；即便在达到传扭极限而发生滑移释放应力时，相对滑动也倾向于发生在密封带平直段与光滑的旋转轴表面之间，从而降低了柔韧的密封带在剖分结构的动环内部发生撕裂的风险，维持了动密封装配体内部结构的完整性。

14、根据一种优选实施方式，弹性加载组件包括沿密封腔外部周向分布的多组外置弹簧单元，各外置弹簧单元包括：

15、双头螺柱，其内端固接于密封腔，并向外侧轴向悬空延伸；

16、第二弹簧，其套设于双头螺柱的外部，且其内侧端抵靠于将机械推力向内传递的压板上；

17、第一螺母，其旋接于双头螺柱的最外侧，用于在线直接改变第二弹簧的轴向压缩工作高度。

18、在弹性加载补偿方面，本技术通过沿密封腔外部周向分布包含双头螺柱、第二弹簧及第一螺母的外置弹簧单元，解决了密封端面磨损后无法在线实时调整端面比压的技术难点。现有技术（如cn112178195a）将提供补偿推力的弹簧内置于推环的弹簧孔中，在设备运转期间操作人员无法直接观察其状态，也难以在不停机的状态下改变弹簧的补偿力。本技术将弹性加载组件移至密封腔外部的大气侧，以双头螺柱作为传力导向基准，使第一螺母位于外部。在设备连续运转且面临密封端面磨损泄漏或介质背压波动时，维保人员可直接旋拧外部的第一螺母，迫使弹簧套沿轴向位移，改变第二弹簧的轴向压缩工作高度。该结构实现了不停机状态下端面比压的实时动态调节，有助于延长密封装置的连续运行周期。

19、根据一种优选实施方式，压盖与密封腔对接的剖分面之间设有第三圆柱销，且各剖分面的外侧局部成型有凸出的连接块；

20、通过第三圆柱头螺钉沿垂直于剖分面的周向切线方向穿过对接的连接块进行收紧，以迫使呈半圆环结构的静止端组件在径向上紧密抱合锁紧。

21、针对金属环形零件的剖分拼合结构，本装置利用第三圆柱销在剖分面之间进行精准周向对位，并在各剖分面外侧局部成型连接块，配合第三圆柱头螺钉穿过连接块进行周向切线方向的收紧，改善了刚性部件在剖分拼合后易发生台阶错位和组装变形的问题。现有技术（如cn101910691a）多采用径向的定位销与楔形结构来固定剖分面，这种径向受力结构在锁紧时容易在剖分结合面处产生侧向分力，导致结合面微观分离或产生径向错边。本技术利用定位销进行装配初期的周向对位，使紧固螺钉沿垂直于剖分面的周向切线方向穿过连接块。当螺钉拧紧时，拉力方向与剖分面法线平行，使两个半圆环在径向上产生对向抱合力，减小了引起剖分面翘曲的侧向分力，使得金属静止端组件在现场装配时能够保持较高的几何精度，提升了高压工况下刚性接缝处的气密性。

22、根据一种优选实施方式，密封带在周向上断开以形成单根条状的剖分结构，其断开的两端分别成型有形状相适配的凹端与凸端；

23、凸端与凹端插接构成可承受周向拉伸力的锁扣配合，并在装配后受两侧动环径向与轴向双重挤压时，接口处的材料发生挤压形变以使开口缝隙受迫闭合防漏。

24、在密封带剖分面的防漏设计上，本装置通过密封带断开端的凹凸端插接锁扣配合及受迫挤压闭合结构，降低了柔性橡胶环在剖分后被离心力甩开或受压产生泄漏流道的概率。现有技术中被简单切断的剖分o型圈在受到流体压力或离心力作用时，其切断面容易发生退避，从而在接合面产生间隙导致泄漏。本技术在密封带剖分端成型形状相适配的凸端与凹端，两者插接后形成物理干涉，能够抵抗旋转时产生的圆周方向拉伸应力及热胀变形力，防止剖分端发生宏观断开。进一步地，当密封带安装并受到内外侧动环在径向与轴向上的挤压时，凹凸接口处的橡胶材料因受限而发生局部挤压形变，填补了插接界面的微观几何缝隙，将外部机械压力转化为接缝处的密封阻漏力。

25、根据一种优选实施方式，大气侧静环的外侧还依次设置有填料密封座与填料密封，填料密封环抱旋转轴以在大气侧最外端隔离出独立的泄漏检测空间；

26、填料密封座与密封腔的外围实体厚壁内开设有相连通的内部导流通道，内部导流通道的内侧端连通泄漏检测空间，外侧端向外部延伸形成处于敞开排放状态的泄漏监测口。

27、在大气侧辅助防线设计上，本装置通过在最外端配置填料密封并通过内部导流通道连通泄漏监测口，克服了辅助密封空间内因产生憋压而干扰主密封力学平衡的问题。在双端面密封发生异常泄漏时，高压介质会进入填料密封座内。若外部密封处于完全封闭状态，泄漏介质将在检测空间内聚集升压，形成的背压会产生轴向反推力，该反推力会削弱外置弹性加载组件施加在密封端面上的闭合力。本技术利用填料密封在最外层实施接触阻挡，同时在密封腔外围实体厚壁内开设规避外部碰撞干扰的内部导流通道，将阻挡下的泄漏介质引导至处于敞开排放状态的泄漏监测口。该路径为泄漏气体提供了定向泄压流道，降低了隔离空间内的憋压风险，保障了主密封传力链路的稳定性。

28、本发明还公开了一种基于前述可调式剖分式干运转密封装置的动态运转密封方法，在设备运转过程中，该方法包括以下动态补偿步骤：

29、外部密封气导入由静止端组件与动密封装配体围成的腔体内，形成向外的气压反推力；通过调节弹性加载组件，使其产生的轴向机械推力克服气压反推力与密封件摩擦阻力，以剩余机械推力作为浮动力维持双端面密封的动态贴合；

30、随着运转温度升高或旋转轴发生径向偏摆，旋转轴迫使位于介质侧动环与大气侧动环之间的密封带产生径向挤压变形；

31、密封带通过自身的材料弹性吸收偏摆冲击力，并依靠其受迫形变后积聚的回弹性维持与旋转轴及两侧动环的过盈贴合状态，在随旋转轴保持柔性连动并进行降幅径向偏心运转的过程中，保障扭矩的稳定同步传递能力。

32、本发明提供的一种动态运转密封方法，通过将密封带随轴径向挤压变形转化为摩擦力增强因素，改善了高温工况下剖分式密封件易因热胀而打滑失效的情况。现有技术（如cn203363185u）主要依赖箍紧环的初始紧固力来维持动环运转，在面临设备高温热膨胀时，刚性件与柔性件的膨胀系数差异会导致原有装配过盈量发生衰减，引起内部相对滑动。本技术在设备运转且温度升高导致旋转轴径向膨胀时，由于密封带被外侧的动环台阶限位在封闭空间内，旋转轴的膨胀迫使密封带产生进一步的内部径向挤压变形。随着挤压变形量的增大，密封带与旋转轴及外侧动环界面的接触法向应力被动增加，使得界面法向摩擦力获得提升。该方法将高温热膨胀因素转化为维持扭矩同步传递的增益条件，实现了工况变化下的力学正反馈补偿。

33、根据一种优选实施方式，装置在大气侧最外侧配置有由辅助密封件隔离构成的泄漏检测空间，抗偏摆容差运转过程还包括以下步骤：

34、当旋转轴发生径向偏摆时，辅助密封件发生径向压缩变形以规避与旋转轴发生刚性物理碰撞；

35、当辅助密封件与旋转轴之间产生间隙时，通过辅助密封件与旋转轴形成的间隙对内部泄漏气体进行节流降压，并引导泄漏气体优先从处于敞开状态的泄漏监测口处的监测流道定向排出以防止憋压。

36、在上述动态运转密封方法中，通过辅助密封件在应对轴偏摆时的变形吸收及转化为迷宫节流结构的运转步骤，降低了刚性辅助密封在强偏摆工况下发生碰撞干涉的风险。在大型长轴设备中，偏摆幅度可能超出常规密封的公差配合范围。本方法利用辅助密封件在运转初期的材料回弹性，通过径向屈服变形吸收并规避与偏心旋转轴的物理碰撞。当辅助密封件在偏心工况下与旋转轴产生间隙时，该方法利用其形成的环形间隙作为节流通道，对溢出的内部泄漏气体进行膨胀降压。配合后置的处于敞开状态的泄漏监测流道，在产生间隙后依然能够对溢出的泄漏气体进行膨胀降压与定向导流，在发生偏摆磨损后依然能够维持受控泄压作用。

37、根据一种优选实施方式，在设备运转过程中，动态补偿步骤还包括：

38、外部密封气在由静止端组件与动密封装配体围成的腔体内形成较高压力的同时，沿径向向内挤压密封带；密封带在受到气压径向挤压时，进一步增加与旋转轴之间的径向过盈挤压变形量，以在气压波动的工况下形成气压正反馈补偿机制，从而增大接触面的法向力以抑制扭矩传递时的打滑松脱。

39、进一步地，上述运转方法通过引入气压正反馈补偿机制，巧妙利用了密封气自身的物理压力属性。在常规非平衡密封中，高压气体往往是导致密封失效或破坏传动稳定性的不利因素；而本方法使得高压密封气在径向上直接作用于柔性密封带的外围，将其转化为增强径向过盈量的正向驱动力。随着工况压力的攀升，密封带与旋转轴界面的法向抱紧力随之自动增大，有效克服了高压重载工况下密封带可能出现的微观滑移，保障了复杂工况下扭矩传递的绝对可靠性。