一種密封環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械密封的密封環(huán)領(lǐng)域，涉及一種在密封端面設(shè)有淺槽的密封環(huán)，特別涉及一種在密封端面設(shè)有槽底為曲面的淺槽的密封環(huán)，適用于各種形式的接觸式機(jī)械密封和非接觸式機(jī)械密封。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械密封廣泛應(yīng)用于泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、攪拌器、離心機(jī)和過濾機(jī)等傳輸或處理各種流體的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。在機(jī)械密封中，動(dòng)密封環(huán)(亦稱動(dòng)環(huán))隨軸一起旋轉(zhuǎn)，并和靜密封環(huán)(亦稱靜環(huán))緊密貼合組成主密封，以防止密封介質(zhì)泄漏。機(jī)械密封的使用性能主要取決于兩密封環(huán)的密封端面之間的摩擦狀態(tài)，主要磨損部分也發(fā)生在密封端面，因此動(dòng)環(huán)和靜環(huán)是機(jī)械密封的核心部件。機(jī)械密封一般分為接觸式機(jī)械密封和非接觸式機(jī)械密封兩種。在接觸式機(jī)械密封中，互相貼合的兩個(gè)密封環(huán)的密封端面一般被設(shè)計(jì)和制造得盡可能平整，以便使兩個(gè)密封端面緊密貼合時(shí)間隙盡可能小從而減小泄露。然而，接觸式機(jī)械密封主要在混合摩擦和邊界摩擦狀態(tài)下工作，兩個(gè)密封端面一般處于接觸狀態(tài)，磨損、功耗和發(fā)熱量都比較大，壽命較短，在高速、高壓下使用受到限制。
[0003]通過在密封環(huán)平端面開設(shè)淺槽可以增強(qiáng)密封端面的潤(rùn)滑，降低端面上的摩擦和磨損，減小摩擦熱，提高密封的穩(wěn)定性和壽命。目前在端面開設(shè)淺槽的機(jī)械密封已經(jīng)發(fā)展成為一種典型的非接觸式機(jī)械密封。這種非接觸式機(jī)械密封是在其中一個(gè)密封環(huán)的平端面開設(shè)一系列的深度為微米級(jí)的淺槽，如螺旋槽、圓弧槽、葉形槽、T形槽、Y形槽、L形槽、直槽以及各種異形槽等，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于淺槽的動(dòng)壓效應(yīng)，將進(jìn)入該槽的密封流體的壓力升高，該壓力作用在相互貼合的動(dòng)、靜環(huán)密封端面上，將這兩個(gè)面推開而不接觸，并在之間形成連續(xù)、穩(wěn)定的密封流體的薄膜，實(shí)現(xiàn)非接觸密封。
[0004]淺槽一般在碳化鎢、碳化硅、氮化硅等硬質(zhì)密封環(huán)的密封端面上開設(shè)，高精度加工比較困難，但是其幾何形狀對(duì)流體薄膜的厚度、剛度、承載能力和穩(wěn)定性影響較大，良好的淺槽幾何形狀設(shè)計(jì)及高精度加工是機(jī)械密封的核心技術(shù)。
[0005]公知的在密封端面設(shè)有淺槽的密封環(huán)，還存在不足。
[0006]例如，目前的淺槽在其收斂區(qū)域一般采用陡立的槽壁結(jié)構(gòu)，即從壩區(qū)和堰區(qū)所在的平面以直角立面的形式直接達(dá)到槽底，導(dǎo)致液膜厚度在陡立槽壁處階躍性突變，密封介質(zhì)被突然壓縮，而不是被漸進(jìn)壓縮，因而流體動(dòng)壓效應(yīng)受到削弱，影響密封運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
[0007]例如，普通的平底等深螺旋槽、圓弧槽、葉形槽、T形槽、Y形槽、L形槽以及各種異形槽，由于槽深相等，屬于二維收斂型淺槽，流體動(dòng)壓效應(yīng)不強(qiáng)，所以在一定工況下，流體膜厚度不足，或者在一定流體膜厚度下流體膜的剛度不足，造成密封性能的不穩(wěn)定。
[0008]通過在密封環(huán)的密封端面開設(shè)三維收斂型淺槽來增強(qiáng)端面流體的動(dòng)壓效應(yīng)，進(jìn)而增大端面流體薄膜的承載能力和流體膜薄剛度，從而提升密封運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性并延長(zhǎng)使用壽命，是機(jī)械密封的主要研宄方向之一。
[0009]例如，公開號(hào)CN1415877A的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種雙螺旋角三維螺旋槽端面密封裝置，其密封環(huán)的密封端面上開設(shè)的螺旋淺槽的槽深從高壓測(cè)到低壓測(cè)逐漸變淺；公開號(hào)CNlO 198598IA的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種槽底為斜平面的斜直線槽機(jī)械密封環(huán)；公開號(hào)US5722665A的美國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種由兩級(jí)平底臺(tái)階或斜底臺(tái)階構(gòu)成的動(dòng)壓槽；公開號(hào)CN102927282A的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種沿徑向次第變深的多級(jí)平底臺(tái)階構(gòu)成的螺旋槽機(jī)械密封端面；公開號(hào)CN101469771A的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種可雙向旋轉(zhuǎn)的階梯圓弧槽機(jī)械密封端面。這些三維收斂型淺槽一般具有結(jié)構(gòu)精細(xì)而精度高，粗糙度要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，可加工性一般較差，有的很難加工出來，有的甚至無法直接加工出來，現(xiàn)多采用高能激光束分層加工來近似成形，在加工精度和表面粗糙度等方面存在不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種在密封端面設(shè)有曲面槽的密封環(huán)，密封端面外徑側(cè)為高壓測(cè)，即上游側(cè)，內(nèi)徑側(cè)為低壓測(cè)，即下游側(cè)，曲面槽具有從高壓測(cè)向低壓測(cè)逐漸變淺和變窄的三維收斂外形，因而在工作時(shí)具有更強(qiáng)的收斂特性，與現(xiàn)有密封端面設(shè)有淺槽的密封環(huán)相比，在相同的條件下形成的流體薄膜的厚度或剛度更大，穩(wěn)定性和靠性更高，壽命更長(zhǎng)，可以使用磨削方法精確成形，加工精度高。
[0011]一個(gè)圓周在三維空間中有五個(gè)自由度，可以借助數(shù)學(xué)方法，選擇五個(gè)獨(dú)立變量建立坐標(biāo)系和方程來描述該圓周的位姿和位置及其運(yùn)動(dòng)。而瞬時(shí)位姿和位置可以由直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)或由它們構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來描述。當(dāng)以適當(dāng)?shù)奈蛔搜刂粭l直線或曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以生成曲面。如果將該圓周最低點(diǎn)始終控制在密封端面之外，那么該圓周在三維空間運(yùn)動(dòng)時(shí)與密封環(huán)有兩個(gè)交點(diǎn)、一個(gè)交點(diǎn)或無交點(diǎn)，當(dāng)有兩個(gè)交點(diǎn)時(shí)，如果第一個(gè)交點(diǎn)在密封端面上，第二個(gè)交點(diǎn)在密封環(huán)外圓面上，那么從第二個(gè)交點(diǎn)直至第一個(gè)交點(diǎn)范圍內(nèi)圓周上各點(diǎn)相對(duì)于密封端面的深度逐漸減小直至為0，所生成的曲面從上游側(cè)向下游側(cè)是逐漸變淺的，從上游側(cè)向下游側(cè)也通常是逐漸變窄的，呈現(xiàn)三維收斂形狀。因此從數(shù)學(xué)角度來講，設(shè)計(jì)出以一圓周在三維空間按運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)由運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的光滑連續(xù)曲面為底面的、從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面槽是可行的。
[0012]此外，在機(jī)械制造領(lǐng)域利用刀具進(jìn)行切削加工時(shí)形成表面的過程就是控制刀具的刀刃沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)將工件上多余的材料去除的過程。采用端面寬度較窄的杯形砂輪磨削時(shí)，從磨削加工表面成形的角度來看，杯形砂輪相當(dāng)于一個(gè)具有切削功能的圓周，如果所用的砂輪半徑與設(shè)計(jì)曲面槽時(shí)所用的圓周半徑相等，杯形砂輪相對(duì)于工件所做的成形運(yùn)動(dòng)與曲面槽設(shè)計(jì)時(shí)所用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，磨削時(shí)就沒有表面形成原理誤差，可以精確成形，實(shí)現(xiàn)高精度加工。因此從加工的角度來講，高精度加工出以一圓周在三維空間按運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)由運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的光滑連續(xù)曲面為底面的、從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面槽也是可行的。
[0013]直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的兩種基本運(yùn)動(dòng)，機(jī)床一般采用單一直線運(yùn)動(dòng)、單一轉(zhuǎn)動(dòng)或采用由多個(gè)基本運(yùn)動(dòng)組合成復(fù)雜的多軸聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸通常是水平或垂直布置的，例如直線運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)方向一般是水平或垂直的，而轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線一般是水平或垂直的。研宄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾斜于密封端面的圓周繞密封環(huán)軸線做單一轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，形成的曲面是回轉(zhuǎn)面；當(dāng)一圓周繞平行于密封端面的直線為軸線做單一轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，生成的曲面是側(cè)立的；當(dāng)一圓周做垂直于密封端面的單一直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，生成的曲面也是側(cè)立的；當(dāng)傾斜于密封端面的圓周做平行于密封端面的單一直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面；當(dāng)密封環(huán)相對(duì)于傾斜的圓周做以與密封環(huán)軸線平行的直線為軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也可以生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面。因此當(dāng)一圓周在三維空間做單一基本運(yùn)動(dòng)時(shí)可以生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面。顯然，無論從數(shù)學(xué)的角度還是從機(jī)械加工的角度來說，都可以在上述的單一直線運(yùn)動(dòng)或單一轉(zhuǎn)動(dòng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)從而構(gòu)成由兩個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面。
[0014]進(jìn)一步研宄發(fā)現(xiàn):雖然，當(dāng)密封環(huán)相對(duì)于傾斜的圓周繞密封環(huán)軸線做單一轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的曲面是回轉(zhuǎn)面，然而，若與此同時(shí)，密封環(huán)相對(duì)于傾斜的圓周還做一個(gè)沿密封環(huán)軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)，可以在密封環(huán)上生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面；或者與此同時(shí)，密封環(huán)相對(duì)于傾斜的圓周還做一個(gè)平行于密封端面的直線運(yùn)動(dòng)，也可以在密封環(huán)上生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面。
[0015]進(jìn)一步研宄還發(fā)現(xiàn):雖然，當(dāng)一圓周繞平行于密封端面的直線為軸線做單一的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)生成的曲面是側(cè)立的，然而，若與此同時(shí)，密封環(huán)還繞密封環(huán)的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以在密封環(huán)上生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面；或者與此同時(shí)，密封環(huán)還做一個(gè)平行于密封端面的直線運(yùn)動(dòng)，也可以在密封環(huán)上生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面；或者與此同時(shí)，密封環(huán)還做一個(gè)以密封環(huán)軸線的平行線為軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以在密封環(huán)上生成從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的曲面。
[0016]顯然，無論從數(shù)學(xué)的角度還是從機(jī)械加工的角度來說，都可以在由兩個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)來構(gòu)成更復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即由三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而，還可以在由三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)或多個(gè)基本運(yùn)動(dòng)來構(gòu)成更復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即由四個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)或者更多基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
[0017]另外從便于實(shí)現(xiàn)角度考慮，可對(duì)復(fù)合運(yùn)動(dòng)加以簡(jiǎn)化，即將復(fù)合運(yùn)動(dòng)中的兩個(gè)基本運(yùn)動(dòng)耦合成由一個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來執(zhí)行的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，以便降低運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量和降低機(jī)床運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。例如，將一個(gè)平行于密封端面的直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)垂直于密封端面的直線運(yùn)動(dòng)耦合為一個(gè)與密封端面傾斜的直線運(yùn)動(dòng)，例如將兩個(gè)平行于密封端面的直線運(yùn)動(dòng)耦合為一個(gè)平面曲線運(yùn)動(dòng)，例如將一個(gè)繞密封環(huán)軸線的平行線為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)垂直于密封端面的直線運(yùn)動(dòng)親合為一個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)。
[0018]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種密封環(huán)，包括平的密封端面，在密封端面上設(shè)有淺槽，該淺槽的特征是:所述的淺槽是曲面槽，所述的曲面槽的底面是曲面，所述的曲面是由一圓周在三維空間按運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)由運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的光滑連續(xù)曲面的一部分，所述的曲面槽具有從上游側(cè)向下游側(cè)逐漸變淺和變窄的三維收斂形狀。
[0019]所述的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是傾斜于密封端面的圓周做平行于密封端面的