螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封的制作方法
【專利摘要】螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，包括密封動環(huán)和靜環(huán)，在動環(huán)和靜環(huán)中至少一個的密封端面上設(shè)置螺旋分布的收斂型微孔織構(gòu)；織構(gòu)遍布整個密封端面，或者在靠近低壓側(cè)設(shè)置環(huán)形壩區(qū)，微孔織構(gòu)的各列微孔的中心分布線為螺旋線，微孔織構(gòu)為收斂型織構(gòu)，當(dāng)密封環(huán)外側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相反；當(dāng)密封環(huán)內(nèi)側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相同；本發(fā)明有效提高了密封端面的承載能力，使得密封在更低的轉(zhuǎn)速下打開，并且保證在小膜厚、小壓差的情況下潤滑膜具有更大的剛度，從而減少啟停階段的碰摩；本發(fā)明適用于氣體和液體介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)密封件的減摩，延長密封的使用壽命，提高密封的可靠性。
【專利說明】螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械密封【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封。

【背景技術(shù)】
[0002]表面織構(gòu)技術(shù)被廣泛用于摩擦副的減摩和減阻，在機(jī)械密封領(lǐng)域也得到了成功的應(yīng)用。工程實(shí)踐表明表面織構(gòu)的減摩作用可以有效提高密封端面的耐磨性和使用壽命。
[0003]1996年，以色列學(xué)者Ets1n最先提出了一種基于激光微孔技術(shù)的機(jī)械密封，用于泵類的液體軸封。為了改善微孔織構(gòu)在干氣密封以及低速工況下動壓開啟能力較差的問題，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了多種新型的端面織構(gòu)以提高端面微孔織構(gòu)的作用效果。2007年，專利CN101016949A公開了一種變分布的多孔端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，在密封端面上沿中心對稱排布大小不等的微孔，獲得更為優(yōu)異的耐壓性、耐磨性和收斂特性；2009年，專利CN101672366A公開了一種傾斜式方向性微孔端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，改用方向性微孔，并使微孔長軸方向與端面直徑成傾斜的角度，獲得更好的流體動壓效果；2010年，專利103090005A公開了一種螺旋分布多孔端面機(jī)械密封，在密封環(huán)端面上沿軸向均勻分布10到20個螺旋區(qū)域，并在每個螺旋區(qū)域上均勻分布圓孔，從而減小摩擦轉(zhuǎn)矩、產(chǎn)熱量及摩擦磨損。這些織構(gòu)有效提高了密封的開啟力，并通過微孔結(jié)構(gòu)容納固體顆粒的能力延長了密封的使用壽命。但是這些微孔織構(gòu)的流體動靜壓效應(yīng)有限，只能在高轉(zhuǎn)速和小膜厚的工況下產(chǎn)生足夠的承載力，在啟停過程中容易發(fā)生端面碰摩，產(chǎn)生磨損，影響密封的可靠性和使用壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，它是一種流體動、靜壓結(jié)合型的下游泵送型機(jī)械密封裝置，在相同的條件下具有更大的流體膜厚度，或者在相同的流體膜厚度下具有更大的流體膜剛度。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，包括機(jī)械密封的動環(huán)、靜環(huán)，動環(huán)和靜環(huán)的一個端面相對，形成圓環(huán)形的密封端面，在動環(huán)和靜環(huán)的至少一個密封端面上設(shè)置織構(gòu)帶，織構(gòu)帶設(shè)在整個端面或靠近高壓側(cè)的部分端面上；織構(gòu)帶上布置一系列微孔織構(gòu)，每列微孔織構(gòu)的中心按照螺旋線分布，即微孔織構(gòu)中心所在曲線的走向為近似螺旋線、或近似的曲線、斜直線，當(dāng)密封環(huán)外側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相反；當(dāng)密封環(huán)內(nèi)側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相同。
[0007]所述的螺旋線的螺旋角α定義如下:設(shè)平滑曲線(含斜直線)從半徑較小的內(nèi)半徑處的A點(diǎn)(或Α’、Α”)開始，到半徑較大的外半徑處的B點(diǎn)(或Β’、Β”)為止，在內(nèi)外半徑之間的任意半徑R處的同心圓與該曲線相交于P點(diǎn)(或Ρ’、Ρ”)，曲線過P點(diǎn)(或P’、P”)的切線(或直線本身)與上述同心圓過P點(diǎn)(或Ρ’、Ρ”)的切線之間的所夾的角α為螺旋角，分布線的螺旋角的范圍為0°〈| α |〈90°，螺旋角α是恒定或是變化的。
[0008]所述微孔織構(gòu)的每個微孔為沿上游向下游的收斂型形狀，即微孔織構(gòu)上游側(cè)的長度比下游的長度大，即沿螺旋分布線微孔尺寸從大向小變化且微孔大端朝向高壓側(cè)，微孔的形狀為三角形、水滴形、梯形以及其他具備收斂型特征的幾何形狀。
[0009]所述收斂型微孔的取向，即中軸線方向與所在位置的螺旋型分布線近似相切。
[0010]所述微孔深度的范圍是:0.005?0.2mm;大端寬度的范圍是:0.005?0.1mm ;小端與大端的寬度之比的范圍是O?0.5 ;微孔長度與大端寬度之比的范圍是:0.2?5 ;織構(gòu)微孔沿分布線方向的間距與微孔長度之比的范圍是:0.1?I ;織構(gòu)微孔在圓周方向的角度間距范圍是:4°?40° ;微孔織構(gòu)的面積密度范圍是:0.1?0.6;壩區(qū)在半徑方向上的寬度與環(huán)面寬度之比的范圍是O?0.5，上述參數(shù)在給定的范圍內(nèi)是恒定或者是變化的。
[0011]本發(fā)明的工作原理:
[0012]微孔織構(gòu)具有幾何收斂型特性，使得流體從上游高壓端向下游低壓端流入微孔織構(gòu)后，沿微孔中軸線方向上被織構(gòu)的幾何形狀擠壓，從而在每個微孔織構(gòu)的末端(下游端)形成高壓，從而增大了織構(gòu)的流體動壓效應(yīng)，產(chǎn)生更大的承載能力。
[0013]同時，螺旋分布的收斂型微孔織構(gòu)能適應(yīng)密封環(huán)面各處流動的差異。密封環(huán)上，從外徑處到內(nèi)徑處，回轉(zhuǎn)半徑逐漸減小，沿此方向，密封介質(zhì)的周向速度也呈下降的趨勢。密封端面間密封介質(zhì)的沿端面的流動是其周向流動和徑向流動的合成，因而介質(zhì)的總流動方向沿從外到內(nèi)的方向是逐漸變化的，越靠近外側(cè)，周向速度分量越大。本發(fā)明中收斂型微孔織構(gòu)按照螺旋式分布，能最大程度地利用流動的這個特點(diǎn)，綜合利用流體動靜壓效應(yīng)，增大承載能力。
[0014]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:1、密封端面能在更低的轉(zhuǎn)速或者壓差下打開，改善密封的啟停效果；2、在同等載荷條件下密封能形成更大的膜厚，或者在同等膜厚的情況下密封具有更大的軸向剛度，從而防止密封發(fā)生碰摩，并使密封工作更為穩(wěn)定，提高密封的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的端面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的微孔結(jié)構(gòu)的放大圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的微孔織構(gòu)分布線螺旋角說明示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的微孔形狀示意圖。
[0020]圖6為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的實(shí)施例二的端面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖7為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的實(shí)施例三的端面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖8為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的實(shí)施例四的端面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0024]參照圖1到圖4，螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，位于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)殼和軸之間，包括機(jī)械密封的動環(huán)4、靜環(huán)5，動環(huán)4和靜環(huán)5的一個端面相對，形成圓環(huán)形的密封端面，密封面的一側(cè)為高壓側(cè)，即上游，另一側(cè)為低壓側(cè)，即下游；在所述的動環(huán)4和靜環(huán)5的至少一個密封端面上設(shè)置織構(gòu)帶I (R3-R2)，織構(gòu)帶I位于密封面的高壓側(cè)；微孔織構(gòu)帶的下游設(shè)有無織構(gòu)的壩區(qū)2 (R2-R1);織構(gòu)帶I上布置一系列微孔織構(gòu)，每列微孔織構(gòu)的中心7按照螺旋線3分布，即各列微孔織構(gòu)的中心7的分布線的走向為近似螺旋線(不一定是數(shù)學(xué)上的精確的螺旋線)，或近似的曲線、斜直線，如等角螺旋線、阿基米德螺旋線、圓弧線、斜折線。當(dāng)密封環(huán)外側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相反；當(dāng)密封環(huán)內(nèi)側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相同。
[0025]所述的螺旋線的螺旋角α定義如下:設(shè)平滑曲線(含斜直線)從半徑較小的內(nèi)半徑處的A點(diǎn)(或Α’、Α”)開始，到半徑較大的外半徑處的B點(diǎn)(或Β’、Β”)為止，在內(nèi)外半徑之間的任意半徑R處的同心圓與該曲線相交于P點(diǎn)(或Ρ’、Ρ”)，所述曲線過P點(diǎn)(或P’、P”)的切線(或直線本身)與上述同心圓過P點(diǎn)(或P’、P”)的切線之間的所夾的角α為螺旋角，所述分布線的螺旋角的范圍為0° <|α|〈90°，最佳范圍是5°?30°，螺旋角α可以是恒定的，也可以是變化的。
[0026]所述微孔織構(gòu)的每個微孔為沿上游向下游的收斂型形狀，即微孔織構(gòu)上游側(cè)的長度比下游的長度大，沿螺旋分布線3微孔尺寸從大向小變化且微孔大端朝向高壓側(cè)。微孔的形狀為三角形、水滴形、梯形以及其他具備收斂型特征的幾何形狀。
[0027]所述微孔的取向，即微孔的中軸線方向6與所在位置的螺旋型分布線近似相切(僅指大致相切，并不一定是數(shù)學(xué)上的精確的相切)；
[0028]所述微孔深度的范圍是:0.005?0.2mm ;大端寬度的范圍是:0.005?0.1mm ;小端與大端的寬度之比的范圍是O?0.5 ;微孔長度與大端寬度之比的范圍是:0.2?5 ;織構(gòu)微孔沿分布線方向的間距與微孔長度之比的范圍是:0.1?I ;織構(gòu)微孔在圓周方向的角度間距范圍是:4°?40° ;微孔織構(gòu)的面積密度范圍是:0.1?0.6;壩區(qū)在半徑方向上的寬度與環(huán)面寬度之比的范圍是O?0.5，上述參數(shù)在給定的范圍內(nèi)可以是恒定的，或者是變化的。
[0029]實(shí)施例一
[0030]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的示意圖。圖1所示的密封，其密封環(huán)端面的外側(cè)為高壓偵牝即上游，密封端面的內(nèi)側(cè)為低壓側(cè)，即下游。在靜環(huán)5和動環(huán)4(或兩者之一)上加工螺旋分布的收斂型微孔織構(gòu)，織構(gòu)帶I位于端面靠近外徑側(cè)，壩區(qū)2位于端面靠近內(nèi)徑側(cè)。
[0031]實(shí)施例二
[0032]圖6為本發(fā)明實(shí)施例二的示意圖。圖6所示的密封，其密封環(huán)端面的外側(cè)為高壓偵牝即上游，密封端面的內(nèi)側(cè)為低壓側(cè)，即下游。在靜環(huán)5和動環(huán)4(或兩者之一)上加工螺旋分布的收斂型微孔織構(gòu)，織構(gòu)帶I布滿整個環(huán)面，無壩區(qū)。
[0033]實(shí)施例三
[0034]圖7為本發(fā)明實(shí)施例三的示意圖。圖7所示的密封，其密封環(huán)端面的內(nèi)側(cè)為高壓偵牝即上游，密封端面的外側(cè)為低壓側(cè)，即下游。在靜環(huán)5和動環(huán)4(或兩者之一)上加工螺旋分布的收斂型微孔織構(gòu)，織構(gòu)帶I位于端面靠近內(nèi)徑側(cè)，壩區(qū)2位于端面靠近外徑側(cè)。
[0035]實(shí)施例四
[0036]圖8為本發(fā)明實(shí)施例四的示意圖。圖8所示的密封，其密封環(huán)端面的內(nèi)側(cè)為高壓偵牝即上游，密封端面的外側(cè)為低壓側(cè)，即下游。在靜環(huán)5和動環(huán)4(或兩者之一)上加工螺旋分布的收斂型微孔織構(gòu)，織構(gòu)帶I布滿整個環(huán)面，無壩區(qū)。
【權(quán)利要求】
1.螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，包括機(jī)械密封的動環(huán)、靜環(huán)，動環(huán)和靜環(huán)的一個端面相對，形成圓環(huán)形的密封端面，其特征在于:在動環(huán)和靜環(huán)的至少一個密封端面上設(shè)置織構(gòu)帶，織構(gòu)帶設(shè)在整個端面或靠近高壓側(cè)的部分端面上；織構(gòu)帶上布置一系列微孔織構(gòu)，每列微孔織構(gòu)的中心按照螺旋線分布，即微孔織構(gòu)中心所在曲線的走向為近似螺旋線、或近似的曲線、斜直線，當(dāng)密封環(huán)外側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相反；當(dāng)密封環(huán)內(nèi)側(cè)為高壓時，微孔收斂方向與螺旋線展開方向相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，其特征在于:所述的螺旋線的螺旋角α定義如下:設(shè)平滑曲線(含斜直線)從半徑較小的內(nèi)半徑處的A點(diǎn)(或Α’、Α”)開始，到半徑較大的外半徑處的B點(diǎn)(或Β’、Β”)為止，在內(nèi)外半徑之間的任意半徑R處的同心圓與該曲線相交于P點(diǎn)(或Ρ’、Ρ”)，曲線過P點(diǎn)(或Ρ’、Ρ”)的切線(或直線本身)與上述同心圓過P點(diǎn)(或Ρ’、Ρ”)的切線之間的所夾的角α為螺旋角，分布線的螺旋角的范圍為O°〈| α I〈90°，螺旋角α是恒定或是變化的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，其特征在于:所述微孔織構(gòu)的每個微孔為沿上游向下游的收斂型形狀，即微孔織構(gòu)上游側(cè)的長度比下游的長度大，即沿螺旋分布線微孔尺寸從大向小變化且微孔大端朝向高壓側(cè)，微孔的形狀為三角形、水滴形、梯形以及其他具備收斂型特征的幾何形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，其特征在于:所述收斂型微孔的取向，即中軸線方向與所在位置的螺旋型分布線近似相切。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋分布收斂型微孔織構(gòu)機(jī)械密封，其特征在于:所述微孔深度的范圍是:0.005?0.2mm ;大端寬度的范圍是:0.005?0.1mm ;小端與大端的寬度之比的范圍是O?0.5 ;微孔長度與大端寬度之比的范圍是:0.2?5 ;織構(gòu)微孔沿分布線方向的間距與微孔長度之比的范圍是:0.1?I ;織構(gòu)微孔在圓周方向的角度間距范圍是:4°?40° ;微孔織構(gòu)的面積密度范圍是:0.1?0.6 ;壩區(qū)在半徑方向上的寬度與環(huán)面寬度之比的范圍是O?0.5，上述參數(shù)在給定的范圍內(nèi)是恒定或者是變化的。
【文檔編號】F16J15/16GK104154235SQ201410191186
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】李永健, 黃偉峰, 劉瑩, 索雙富, 高志, 劉向鋒, 王玉明 申請人:清華大學(xué)