一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构制造技术

本发明专利技术公开了一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，包括动环和静环，动环的端面上设有若干深度不一，包括基础线槽和基础螺旋槽的螺弧阶梯槽；静环端面上设有若干组包括三排子圆弧微孔且沿着由外径至内径的方向呈三分集特征的分形微孔，子圆弧微孔从外径至内径深度不一；动环端面上沿径向位于螺弧阶梯槽以内的区域为动环密封坝，动环端面上的基础线槽、基础螺旋槽、动环密封坝与静环端面上从外径至内径分布的三排子圆弧微孔分别一一对应，形成动静环接触面的复合图形特征。本发明专利技术公开的一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，具有抑振增稳减摩的特点，并且端面动压开启性能强与泄漏低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构
本专利技术涉及机械密封的
，具体地说是一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构。
技术介绍
机械密封自上世纪开发以来，因其突出的性能优势逐渐在压缩机、泵、透平机、烟气轮机、反应釜等旋转机械轴端密封广泛应用。机械密封发展阶段可以分为三个阶段：第一阶段由动环与静环形成一对摩擦副进行长时间持续摩擦，通过冷却循环装置对接触端面进行冷却，但是暴露出寿命低，振动大，稳定性不足等不良影响；第二阶段在动环表面进行特定图案雕刻，通过这些图案的动压效应，在动静环接触端面形成一层极薄夜膜，从而降低了磨损，提高了寿命，但是在低速范围或者服役环境存在颠振时，无法提供稳定开启力；第三阶段，主要是针对接触端面摩擦磨损角度出发，通过动环表面进行类金刚石薄膜(DLC)处理，从而降低摩擦系数，减少表面磨损，但是也无法解决机械密封在长时间低速运行时的小泄漏、高稳定的要求，易发生镀膜剥落导致密封失效。因此机械密封的发展多数围绕第二阶段展开，但是，机械密封始终采用单一环进行单一图形处理，如中国专利似叠罗汉复合槽深型槽气体润滑端面机械密封结构(CN104913066B)和一种负压型槽端面机械密封结构(CN201916486U)，都是在动环或静环上开设动压槽型，提高密封端面的动压特性，但是未考虑动环和静环同时开设复合图形的方案。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：为了克服密封在低速低压颠振条件运行时存在泄漏高、液膜刚度不足、端面擦痕严重的问题，提供一种在低速低压颠振条件下具有抑振增稳减摩的特点，并且端面动压开启性能强与泄漏低的三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构。本专利技术所采取的技术方案是：提供一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，包括动环和静环，所述动环的一端面与静环的一端面相贴合形成一对密封摩擦副，所述动环的端面上沿周向均匀设有若干呈螺旋状分布的螺弧阶梯槽，每个螺弧阶梯槽从动环的外边缘起始至动环的中径位置终止；每个螺弧阶梯槽包括沿着从外径至内径的方向设置的基础线槽和基础螺旋槽，且螺弧阶梯槽为深度不一的阶梯型；所述的静环端面上沿周向均匀的设有若干组分形微孔，每组分形微孔包括三排子圆弧微孔，且三排所述的子圆弧微孔沿着由外径至内径的方向呈三分集形状分布；所述的子圆弧微孔沿径向从内径到外径区域分别为第一组子圆弧微孔、第二组子圆弧微孔和第三组子圆弧微孔；所述动环端面上沿径向位于螺弧阶梯槽以内的区域为动环密封坝，所述动环端面上以基础线槽所在区域与第三组子圆弧微孔区域对应，基础螺旋槽所在的区域与第二组子圆弧微孔区域对应，动环密封坝区域与第一组子圆弧微孔区域对应，以使得动环的螺弧阶梯槽与静环的三分集微孔形成复合型图案接触面。进一步的，所述的基础螺旋槽包括2至5个子螺旋槽，各个子螺旋槽的深度沿着内径至外径的方向逐渐增大；且所述基础线槽的深度大于最外侧的子螺旋槽的深度。作为优选的，所述的子螺旋槽数量为三个，且三个子螺旋槽沿着从内径至外径的方向深度分别为1～3μm、3～5μm、5～7μm；所述基础线槽的深度为7～9μm。作为改进的，所述的动环螺弧阶梯槽在朝着中径延伸方向中，槽型逐渐形成收敛结构。优选的，所述的螺弧阶梯槽数量为8～42个。再进一步的，所述动环端面上的基础螺旋槽在根径r4处的圆弧夹角θ3与基础线槽在外径r0处的圆弧夹角θ2之比θ3/θ2＝0.5～0.9；所述动环端面上每相邻两个螺弧阶梯槽之间区域为动环密封堰，所述动环密封堰加螺弧阶梯槽在外径r0处的圆弧夹角为θ1，且θ2/θ1＝0.1～0.5。作为改进的，所述静环上第一组子圆弧微孔由四列微孔组成，第二组子圆弧微孔由两列微孔组成，第三组子圆弧微孔由一列微孔组成。优选的，所述的第一组子圆弧微孔深度为0～2μm，第二组子圆弧微孔深度为4～6μm，第三组子圆弧微孔深度为8～10μm。再优选的，所述的第一组子圆弧微孔数量为32～168个，第二组子圆弧微孔数量为16～84个，第三组子圆弧微孔数量为8～42个；其中第三组子圆弧微孔的数量与螺弧阶梯槽的数量保持一致。再改进的，第一组子圆弧微孔的圆弧夹角θ33与第二组子圆弧微孔的圆弧夹角θ22之比θ33/θ22＝1/3，第二组子圆弧微孔的圆弧夹角θ22与第三组子圆弧微孔的圆弧夹角θ11之比θ22/θ11＝1/3。如此分布结构从而构成三分集特征。本专利技术的工作原理：机械密封开启阶段，转速与压力较低，不足以推开动静环端面形成有效液膜；转而通过静环三分集微孔的分形织构特性，降低端面的摩擦系数与磨损量，并有效抑制了动静环振动；与此同时，流体从动环外边缘进入螺弧阶梯槽时线性槽的直通性较好，可以承受更多的流体流量，避免动静环形成干摩擦，造成密封环热裂。随后，等转速上升后，流体从基础线槽进入基础螺旋槽过程中，因为本结构中的基础螺旋槽包括了三个呈阶梯状的子螺旋槽，三个子螺旋槽存在台阶与收敛特征，逐步产生瑞利台阶效应与流体动压效应，使得流体压力逐渐提高和加强；与此同时，静环的三分集微孔的复合图案使得流体经过多次的台阶效应，形成瑞利台阶效果，使得流体不断汇聚积压和不断受阻，形成更为明显的压力波峰，令动静环形成压力高、刚度大的液膜。接着，机械密封进入稳定工作状态后，静环三分集分形微孔与动环螺弧阶梯槽的联合，造成了流体的能量耗散，减小了流体能量涡旋，从而降低了流体径向泄漏。本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术的结构利用了动环螺弧阶梯微槽与静环三分集分形微孔的并行结合特点，将动、静环形成一整体摩擦构件，摒弃了之前单一表面开槽或开孔的独立性和片面性；2、机械密封运行过程，通过动环表面螺弧阶梯槽提高密封开启力，加强低速下的开启速率，并增加薄膜刚度；另一方面，通过静环表面的三分集分形微孔降低密封接触过程中的摩擦系数，降低表面磨损，提高密封稳定性，并发挥磨粒存储功能。两者的复合并行图案将动力性与摩擦性进行了系统性的统一，从根源上提高了机械密封的稳定性和寿命；3、本专利技术的结构中的动环螺弧阶梯槽，从动环外径区域到中径区域，槽型不断收敛，并且从线型槽过渡到螺旋槽过程中经历三次阶梯槽的叠加，从而形成较强的导流性和压缩性；静环三分集分形微孔在周向和径向有长度成比例、数量成比例和面积成比例的均匀圆弧微孔，从静环外径区域到内径区域，微孔逐渐缩小，数量逐渐增加，从而构成织构特征降低密封接触面的振动与磨损率；另外动静环微槽与微孔的耦合叠加，能形成更高的压力波峰，更快得开启密封端面；分形微孔能减弱端面涡旋现象，降低接触面振动，提高密封稳定性。4、本专利技术结构中的这种三分集分形微孔与螺弧阶梯槽的复合并行图案对有颠振、冲击、载荷交变和长时间低速运行的高功率通讯装置水铰链用机械动密封具有极好的应用效果，达到抑振、增稳、减摩和强动压、低泄漏的目标。附图说明图1是本专利技术的动环的开槽端面示意图。图2是本专利技术中的静环的开孔端面示意图。图3是本专利技术的动环的开槽端面几何结构参数定义的示意图。图4是本专利技术的静环的开孔端面几本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，包括动环和静环，所述动环的一端面与静环的一端面相贴合形成一对密封摩擦副，其特征在于：所述动环的端面上沿周向均匀设有若干呈螺旋状分布的螺弧阶梯槽(100)，每个螺弧阶梯槽(100)从动环的外边缘起始至动环的中径位置终止；每个螺弧阶梯槽(100)包括沿着从外径至内径的方向设置的基础线槽(1)和基础螺旋槽(2)，且螺弧阶梯槽(100)为深度不一的阶梯型；/n所述的静环端面上沿周向均匀的设有若干组分形微孔(110)，每组分形微孔(110)包括三排子圆弧微孔(3)，且三排所述的子圆弧微孔(3)沿着由外径至内径的方向呈三分集特征形状分布；所述的子圆弧微孔(3)沿径向从内径到外径区域分别为第一组子圆弧微孔(3.1)、第二组子圆弧微孔(3.2)和第三组子圆弧微孔(3.3)；/n所述动环端面上沿径向位于螺弧阶梯槽(100)以内的区域为动环密封坝(120)，所述动环端面上以基础线槽(1)所在区域与第三组子圆弧微孔(3.3)区域对应，基础螺旋槽(2)所在的区域与第二组子圆弧微孔(3.2)区域对应，动环密封坝(120)区域与第一组子圆弧微孔(3.1)区域对应，以使得动环的螺弧阶梯槽(100)与静环的三分集微孔(110)形成复合型图案接触面。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，包括动环和静环，所述动环的一端面与静环的一端面相贴合形成一对密封摩擦副，其特征在于：所述动环的端面上沿周向均匀设有若干呈螺旋状分布的螺弧阶梯槽(100)，每个螺弧阶梯槽(100)从动环的外边缘起始至动环的中径位置终止；每个螺弧阶梯槽(100)包括沿着从外径至内径的方向设置的基础线槽(1)和基础螺旋槽(2)，且螺弧阶梯槽(100)为深度不一的阶梯型；
所述的静环端面上沿周向均匀的设有若干组分形微孔(110)，每组分形微孔(110)包括三排子圆弧微孔(3)，且三排所述的子圆弧微孔(3)沿着由外径至内径的方向呈三分集特征形状分布；所述的子圆弧微孔(3)沿径向从内径到外径区域分别为第一组子圆弧微孔(3.1)、第二组子圆弧微孔(3.2)和第三组子圆弧微孔(3.3)；
所述动环端面上沿径向位于螺弧阶梯槽(100)以内的区域为动环密封坝(120)，所述动环端面上以基础线槽(1)所在区域与第三组子圆弧微孔(3.3)区域对应，基础螺旋槽(2)所在的区域与第二组子圆弧微孔(3.2)区域对应，动环密封坝(120)区域与第一组子圆弧微孔(3.1)区域对应，以使得动环的螺弧阶梯槽(100)与静环的三分集微孔(110)形成复合型图案接触面。


2.根据权利要求1所述的一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，其特征在于：所述的基础螺旋槽(2)包括2至5个子螺旋槽(2.1)，各个子螺旋槽(2.1)的深度沿着内径至外径的方向逐渐增大；且所述基础线槽(1)的深度大于最外侧的子螺旋槽(2.1)的深度。


3.根据权利要求2所述的一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，其特征在于：所述的子螺旋槽(2.1)数量为三个，且三个子螺旋槽(2.1)沿着从内径至外径的方向深度分别为1～3μm、3～5μm、5～7μm，所述基础线槽(1)的深度为7～9μm。


4.根据权利要求1所述的一种三分集微孔与阶梯螺弧槽的复合型密封端面结构，其特征在于：所述的动环螺弧阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆俊杰，高德，张炜，谢方民，焦永峰，
申请(专利权)人：浙江大学宁波理工学院，宁波伏尔肯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33