專利名稱：一種非接觸式機械動密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械動密封，特別是一種非接觸式機械動密封。
背景技術(shù)：
機械動密封是解決運動零件和靜止零件間關(guān)系問題、防止流質(zhì)從動、靜 件接合面縫隙中過量流失的技術(shù)。它需達(dá)到摩擦學(xué)性能指標(biāo)和密封性能指標(biāo)， 使密封件(或密封媒質(zhì))和零件間摩擦表面具有低的摩擦系數(shù)、強的耐磨損 能力，另一方面使流質(zhì)從其摩擦表面流失不超過規(guī)定要求并且盡可能地小。 因此，它包含兩項技術(shù)摩擦學(xué)技術(shù)和封漏技術(shù)。評判機械動密封應(yīng)從這兩 方面技術(shù)性能指標(biāo)進行。
機械領(lǐng)域現(xiàn)今使用的機械動密封分兩大類接觸式機械動密封和非接觸 式機械動密封。接觸式機械動密封中運動零件和靜止零件或密封件直接接觸， 形成無流體潤滑的摩擦接合面。這種密封動、靜件接合面摩擦系數(shù)較大、磨 損量較大，因此這種密封壽命較短，并且其封漏性不一定好。常見的接觸式 機械動密封有
(1)氈圈油封
在靜止零件上開出梯形槽，將毛氈按標(biāo)準(zhǔn)制成環(huán)形(尺寸不大時)或帶 形(尺寸較大時)，放置在梯形槽中以與運動零件密合接觸；或者在靜止零件 上開缺口放置氈圈油封，然后用另外一個零件壓在氈圈油封上，以調(diào)整毛氈與運動零件的密合程度，從而提高密封效果。這種密封結(jié)構(gòu)簡單，但摩擦系 數(shù)較大、磨損較顯著，壽命較短， 一般只用于滑動速度較小的場合。
(2) 唇形密封圈
在靜止零件上放置一個用耐油橡膠制的唇形密封圈，靠彎折了的橡膠的 彈力和附加的環(huán)形螺旋彈簧的扣緊作用而緊套在運動零件上，以便起密封作 用。唇形密封圈密封唇的方向要朝向密封的部位。這種密封適用的滑動速度 稍大，但常要求與唇形密封圈接觸的運動零件表面經(jīng)硬化處理以提高耐磨性。 這種密封仍有摩擦系數(shù)較大、磨損較顯著、壽命較短的缺點。
(3) 密封環(huán)
密封環(huán)是一種帶有缺口的環(huán)狀密封件，將它放置在套筒的環(huán)槽內(nèi)，套筒 與運動零件一起旋轉(zhuǎn)，密封環(huán)靠缺口被壓攏后所具有的彈性而抵緊在靜止零 件的內(nèi)孔壁上，即可起到密封的作用。各個接觸表面均須經(jīng)硬化處理并磨光。
密封環(huán)由含鉻的耐磨鑄鐵制造時，可用于滑動速度小于100m/s之處。也可用 錫青銅制造密封環(huán)，但滑動速度應(yīng)不大于60m/s。比起前兩種密封，這種密封
摩擦系數(shù)較小、磨損較輕、壽命較長。
(4) 動環(huán)、靜環(huán)接觸式密封
制作動環(huán)和靜環(huán)。動環(huán)裝在運動零件上，靜環(huán)裝在靜止零件上。動環(huán)和 靜環(huán)依靠彈簧等提供的密封力發(fā)生密合接觸，使其接觸面起到密封效果。動 環(huán)、靜環(huán)需由摩擦系數(shù)較小的耐磨材料制成，接合面常經(jīng)硬化和高光潔度加 工。這種密封的磨損、壽命和封漏能力與彈簧等提供的密封力有關(guān)。它一般 具有較強的封漏能力而且低摩擦系數(shù)和耐磨損，用于重要場合。這是一種重 要的接觸式動密封。非接觸式機械動密封中運動零件和靜止零件間不發(fā)生直接接觸，在它們 的間隙中充滿流體或氣體以實現(xiàn)流體膜或氣膜潤滑。這種密封摩擦系數(shù)小、 磨損很輕、壽命長，并且它的封漏性也很好，是一種重要的密封技術(shù)。它代 表機械密封技術(shù)的發(fā)展方向。常見的重要的非接觸式機械動密封有
(1) 單列流體動壓槽非接觸式機械密封 這種密封可實現(xiàn)"雙向"低泄漏密封功能，摩擦系數(shù)小，磨損很輕，能
耗低，運動零件可雙向旋轉(zhuǎn)。它具有優(yōu)良的密封穩(wěn)定性和抗外界干擾能力， 適用于高PV值透平機械。
(2) 雙列同向流體動壓槽上游泵送機械密封 這種密封可實現(xiàn)低泄漏密封功能，摩擦系數(shù)小，磨損很輕，能耗低，具
有優(yōu)良的防固體顆粒能力。它適用于輸送高含固體顆粒介質(zhì)的轉(zhuǎn)子式機泵。
(3) 雙列交叉動壓槽上游泵送機械密封 這種密封可實現(xiàn)低泄漏密封功能，摩擦系數(shù)小，磨損很輕，能耗低，具
有優(yōu)良的自潤滑能力和優(yōu)良的起動性能。它適用于輸送潔凈流體的轉(zhuǎn)子泵或 處于頻繁開停狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)式流體機械。
(4) 雙列反向動壓槽非接觸式機械密封
這種密封可實現(xiàn)工藝氣體或液體的低泄漏密封功能，摩擦系數(shù)小，磨損 很輕，能耗低，具有優(yōu)良的密封工作穩(wěn)定性(較高的流體膜剛度)，可用作氣 膜密封或液膜密封。它適用于透平式氣體壓縮機、鼓風(fēng)機、各類輕烴泵、輸 送易揮發(fā)介質(zhì)類泵等。
(5) 激光加工多孔端面機械密封
這是一種近年發(fā)展起來的先進的密封技術(shù)。用激光在運動零件或靜止零件密封端面上加工出密集的尺寸微小的孔，在運動零件和靜止零件的密封 面間隙中充滿流體，當(dāng)運動零件和靜止零件發(fā)生相對運動時，依靠密封面上 小孔的微觀幾何形狀，密封面處于流體膜潤滑且流體膜厚度很小。這種密封 摩擦系數(shù)小、磨損很輕、壽命長，具有很好的封漏性。它的適用場合廣泛。
由于低摩擦系數(shù)、很輕的磨損、長壽命和良好的封漏性，非接觸式機械 動密封在實踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用，受到工程技術(shù)人員的重視，成為密 封技術(shù)發(fā)展的重要方向。這種密封的應(yīng)用使密封性能得到實質(zhì)性改善。新的 非接觸式機械動密封的出現(xiàn)是機械密封技術(shù)發(fā)展的重要進展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有低摩 擦系數(shù)、很輕的磨損、長壽命和很好的封漏性的非接觸式機械動密封。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是
一種非接觸式機械動密封，其特點是，它由鋼制的動環(huán)和靜環(huán)組成；動環(huán)和 靜環(huán)的密封面均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表面粗糙度平均值均為0.2 0.4 微米；在動環(huán)的密封面上涂設(shè)有周向間隔均勻的Ti02涂層，在動環(huán)密封面的 同一圓周上設(shè)有Ti02涂層的區(qū)域周向?qū)挾仁俏丛O(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?L0 2.0倍，優(yōu)選1.5倍；Ti(V凃?qū)拥暮穸葹?.08~0.15毫米，優(yōu)選0.1毫米； 動環(huán)和靜環(huán)的間隙值為0.05 1.00微米。
本發(fā)明為無密封面幾何形狀加工的非接觸式機械動密封。工作時在動環(huán) 和靜環(huán)間隙中充滿一定的流體(工作介質(zhì)即需密封的流體)，當(dāng)動環(huán)和靜環(huán)發(fā) 生相對轉(zhuǎn)動時，動環(huán)和靜環(huán)間隙中即形成流體潤滑膜而使密封面得到很好潤 滑。由于動環(huán)和靜環(huán)間隙值很小，流體在密封面的泄漏量很小。根據(jù)滑移流體膜承載理論，可推得這種密封的形成條件為
<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
根據(jù)流體在密封面主要為沿密封面周向的一維流動要求，本發(fā)明密封結(jié)
構(gòu)尺寸應(yīng)滿足以下要求
<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
此處，r,是密封流體和Ti02涂層間界面剪切強度，^是密封流體和動環(huán) 密封面上未設(shè)涂層區(qū)域間界面剪切強度，^是密封流體和靜環(huán)密封面間界面 剪切強度，；;是流體粘度，/z是動環(huán)和靜環(huán)密封面間隙值，"是動、靜環(huán)間平 均滑動速度，《、"2分別是動、靜環(huán)的內(nèi)徑和外徑，/是動環(huán)密封面上Ti02涂 層區(qū)域平均周向?qū)挾扰c相鄰的(一個)未設(shè)涂層區(qū)域平均周向?qū)挾戎汀?和 /分別由以下式子計算
<formula>formula see original document page 7</formula>(3)
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
此處，w是動環(huán)相對于靜環(huán)的轉(zhuǎn)動角速度，W是動環(huán)密封面上Ti02涂層區(qū)域 數(shù)?？紤]到密封面上動、靜環(huán)間滑動速度的均勻度，々"2滿足關(guān)系式 《=(0.90 ~ 0.95)《。
根據(jù)滑移流體膜承載理論，可推得本發(fā)明密封整個密封面的承載量是 <formula>formula see original document page 7</formula> (5 )
和整個密封面沿徑向泄漏量是
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
以下發(fā)明人以液壓油YA-N32作密封流體為例，應(yīng)用上述式(1) 一 (6)密封流體為液壓油YA-N32，其密度^^8卯紐/w3、粘度/7 = 0.03/^-"它與 密封面上Ti02涂層間界面剪切強度為r、. = 0.1MP"，取《=55mm 、《=48mm 、 7V=100、 "0.5戸。
(1) 當(dāng)6^83.8rad"(轉(zhuǎn)速n:800r/min)時，得到的密封面承載量和泄漏量分 別為M^17.6/W、 2 = 8.9x10-7松〃(=3.2《//0。
(2) 當(dāng)w-73.8rad"(轉(zhuǎn)速^^705r/min)時，得到的密封面承載量和泄漏量分 別為M^8,4/UV、 2 = 4.2乂10_7^/<=1.52《//2)。
(3) 當(dāng)6^69.9rac/"(轉(zhuǎn)速"-667.5Wmin)時，得到的密封面承載量和泄漏量 分別為vi^4.8^V、 e = 2.4xl(T、"(=0.87g//z)。
(4) 當(dāng)6;-66.0rad/s(轉(zhuǎn)速"630Wmin)時，得到的密封面承載量和泄漏量分 另U為w = 1.267V 、 g = 6.1 x 10_8 & "(= 0,22g / /z)。
(5) 當(dāng)t^64.9rac/〃(轉(zhuǎn)速^619Wmin)時，得到的密封面承載量和泄漏量分 別為W = 0.12^V、 g-6.1xl0畫lg/s(-0.02g//0 。
本發(fā)明密封設(shè)計的一般方法是設(shè)計的已知條件給出所需的密封面承載量 w、許用密封面徑向泄漏量2、密封流體及其p、 /7值、動、靜環(huán)的內(nèi)徑《和 外徑《、動環(huán)相對于靜環(huán)的轉(zhuǎn)速w，確定出密封間隙A值、所需的流體和動環(huán) 密封面上涂層間界面剪切強度r,值和所需的動環(huán)密封面上涂層區(qū)域數(shù)W。根據(jù) 設(shè)計已知條件，可由式(5)、 (6)分別建立方程，聯(lián)立求解這兩個方程可得A 值和(^//72-^.//0^值。取合適的r、值，算出7V值。
設(shè)計舉例說明
設(shè)計己知條《?！?48腿、^2=55薩、w = 78.5rac/"(轉(zhuǎn)速"=750Wmin)、 / = 890/tg/m3、 /7 = 0.03Pa." w = 0.5^V、 g = 0.1g,W= 2.8x10—，要求確定出"r,和7V值。
設(shè)計求解根據(jù)已知條件，由式(5)、 (6)分別得以下方程 0.4037xl032 xl0-6 x 7xl0-3 xC-二)丄二0.5x103 (7)
0.2692 x 890 x/z3 x 1032 x 1 (T6 ,w 7 r、、 1,。
1n—8 ,。、 -^-—一 = 2.8x10
聯(lián)立求解上述方程，得/7 = 0.516/^， (w7//22—r,//z)/7V = 1.668xl07AA/w3 。取 r, = 0.116M尸o ，貝lj得W= 168 。 以下說明本發(fā)明的原理。
根據(jù)已往建立的界面滑移理論，在本發(fā)明設(shè)計的密封中，在工作條件下， 由于動環(huán)密封面上Ti02涂層與密封流體間弱的界面剪切強度，密封流體在 Ti02涂層表面上滑移，(由該界面處密封流體剪應(yīng)力達(dá)到該界面剪切強度引 起)，而由于密封流體和動環(huán)密封面上未設(shè)涂層的區(qū)域間較高的界面剪切強度 和密封流體和靜環(huán)密封面間較高的界面剪切強度，密封流體在動環(huán)密封面上 未設(shè)涂層的區(qū)域不發(fā)生滑移，密封流體在整個靜環(huán)密封面上也不發(fā)生滑移。 這樣，動環(huán)密封面上Ti02涂層和靜環(huán)密封面間流體流量小于動環(huán)密封面上未 設(shè)涂層區(qū)域和靜環(huán)密封面間流體流量。按照本發(fā)明方法，當(dāng)動、靜環(huán)間發(fā)生 相對轉(zhuǎn)動時，若動、靜環(huán)間隙中流體膜內(nèi)無壓力產(chǎn)生，則動、靜環(huán)間流體的 流動為Couette流動(見流體力學(xué))。這種流動僅由動、靜環(huán)表面間的相對運 動速度引起，其流量為p"W-。/2，此處p為流體密度，e為界面滑移率U為 動、靜環(huán)的間隙值)。對于動環(huán)密封面上Ti02涂層和靜環(huán)密封面間流體， 0<s<l;對于動環(huán)密封面上未設(shè)涂層區(qū)域和靜環(huán)密封面間流體，f = 0。這樣， 根據(jù)上面所述，動環(huán)密封面上未設(shè)涂層區(qū)域和靜環(huán)密封面間流體的Couette流 動流量比動環(huán)密封面上Ti02涂層和靜環(huán)密封面間流體的Couette流動流量要大。若動、靜環(huán)間隙中流體膜內(nèi)無壓力產(chǎn)生，則動、靜環(huán)間隙中流體的流量 不能平衡，流體的流動不滿足連續(xù)流動的條件。這顯然是不現(xiàn)實的。為使動、 靜環(huán)間隙中截面上流體的流量處處相等，滿足流體連續(xù)流動條件，動、靜環(huán)
間隙中流體膜內(nèi)必須建立壓力，產(chǎn)生壓力梯度流動(即Poiseuille流動，見流
體力學(xué))。這樣，流體在動、靜環(huán)間隙中的流動才能滿足連續(xù)條件。換句話說， 在本發(fā)明設(shè)計的密封中，由于流體流動的連續(xù)性要求，動、靜環(huán)間隙中流體 膜內(nèi)必然要建立壓力，這個壓力用來平衡密封力或外界載荷。這樣在密封力 或外界載荷作用下就維持了流體膜在密封面上的存在而使密封面得到良好的 潤滑。另一方面，由于動、靜環(huán)間隙值很小(小于l微米)，流體沿密封面徑 向的泄漏量很小。這就是本發(fā)明密封低摩擦系數(shù)、很輕的磨損、長壽命、良 好的封漏性的機理。
本發(fā)明密封的密封面承載量和泄漏量數(shù)據(jù)可以用常規(guī)的實驗方法和測定 方法進行實驗和測定。
與現(xiàn)有非接觸式機械動密封相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
(1) 不需對密封面進行幾何形狀加工。
(2) 密封面為平整的平面，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易。
(3) 密封面加工成本低，加工效率高。
(4) 密封力或外界載荷變化范圍大，泄漏量小。
(5) 運動零件(動環(huán))可雙向旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)"雙向"低泄漏密封功能。
(6) 摩擦系數(shù)低，磨損很輕，壽命長，能耗低，封漏性好。
(7) 具有優(yōu)良的密封穩(wěn)定性和抗外界干擾能力。適用場合廣泛。


圖1為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的俯視圖。
圖3為圖1移去靜環(huán)后(動環(huán))的左視圖。
圖4為動環(huán)的密封面示意圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，進一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員進一步地理解本發(fā)明，而不構(gòu)成對其權(quán)利的限制。
實施例l。參照圖卜4。 一種非接觸式機械動密封，它由鋼制的動環(huán)l和 靜環(huán)2組成；動環(huán)1和靜環(huán)2的密封面4均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表 面粗糙度平均值均為0.2微米；在動環(huán)1的密封面4上涂設(shè)有周向間隔均勻的 Ti02涂層3，在動環(huán)1密封面4的同一圓周上設(shè)有TK)2涂層3的區(qū)域周向?qū)?度是未設(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.0倍，Ti02涂層3的厚度為0.08毫米；動 環(huán)1和靜環(huán)2的間隙值為0.05微米。
實施例2。參照圖l-4。 一種非接觸式機械動密封，它由鋼制的動環(huán)l和 靜環(huán)2組成；動環(huán)1和靜環(huán)2的密封面4均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表 面粗糙度平均值均為0.4微米；在動環(huán)1的密封面4上涂設(shè)有周向間隔均勻的 1102涂層3，在動環(huán)1密封面4的同一圓周上設(shè)有Ti02涂層3的區(qū)域周向?qū)?度是未設(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.0倍，Ti02涂層3的厚度為0.15毫米；動 環(huán)1和靜環(huán)2的間隙值為1.00微米。
實施例3。參照圖1-4。 一種非接觸式機械動密封，它由鋼制的動環(huán)l和 靜環(huán)2組成；動環(huán)1和靜環(huán)2的密封面4均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表 面粗糙度平均值均為0.3微米；在動環(huán)1的密封面4上涂設(shè)有周向間隔均勻的1102涂層3，在動環(huán)1密封面4的同一圓周上設(shè)有Ti02涂層3的區(qū)域周向?qū)?度是未設(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.5， TiCV凃?qū)?的厚度為0.1毫米；動環(huán)1 和靜環(huán)2的間隙值為0.65微米。
實施例4。參照圖1-4。 一種非接觸式機械動密封，它由鋼制的動環(huán)l和 靜環(huán)2組成；動環(huán)1和靜環(huán)2的密封面4均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表 面粗糙度平均值均為0.35微米；在動環(huán)1的密封面4上涂設(shè)有周向間隔均勻 的Ti02涂層3，在動環(huán)1密封面4的同一圓周上設(shè)有1102涂層3的區(qū)域周向 寬度是未設(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.2倍，Ti02涂層3的厚度為0.06毫米； 動環(huán)1和靜環(huán)2的間隙值為0.10微米。
實施例5。參照圖l-4。 一種非接觸式機械動密封，它由鋼制的動環(huán)l和 靜環(huán)2組成；動環(huán)1和靜環(huán)2的密封面4均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表 面粗糙度平均值均為0.25微米;在動環(huán)1的密封面4上涂設(shè)有周向間隔均勻 的Ti02涂層3，在動環(huán)1密封面4的同一圓周上設(shè)有TiCb涂層3的區(qū)域周向 寬度是未設(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.8倍，Ti02涂層3的厚度為0.12毫米； 動環(huán)1和靜環(huán)2的間隙值為0.80微米。
權(quán)利要求
1、一種非接觸式機械動密封，其特征在于，它由鋼制的動環(huán)(1)和靜環(huán)(2)組成；動環(huán)(1)和靜環(huán)(2)的密封面(4)均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表面粗糙度平均值均為0.2～0.4微米；在動環(huán)(1)的密封面(4)上涂設(shè)有周向間隔均勻的TiO2涂層(3)，在動環(huán)(1)密封面(4)的同一圓周上設(shè)有TiO2涂層(3)的區(qū)域周向?qū)挾仁俏丛O(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.0～2.0倍，TiO2涂層(3)的厚度為0.08～0.15毫米；動環(huán)(1)和靜環(huán)(2)的間隙值為0.05～1.00微米。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式機械動密封，其特征在于，在動環(huán)(1)密封面(4)的同一圓周上設(shè)有Ti02涂層(3)的區(qū)域周向?qū)挾仁?未設(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.5倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式機械動密封，其特征在于，TiCb涂 層(3)的厚度為O.l毫米。
全文摘要
本發(fā)明是一種非接觸式機械動密封，其特征在于，它由鋼制的動環(huán)和靜環(huán)組成；動環(huán)和靜環(huán)的密封面均為平整的平面，經(jīng)拋光加工，表面粗糙度平均值均為0.2～0.4微米；在動環(huán)的密封面上涂設(shè)有周向間隔均勻的TiO₂涂層，在動環(huán)密封面的同一圓周上設(shè)有TiO₂涂層的區(qū)域周向?qū)挾仁俏丛O(shè)涂層的區(qū)域周向?qū)挾鹊?.0～2.0倍；TiO₂涂層的厚度為0.08～0.15毫米；動環(huán)和靜環(huán)的間隙值為0.05～1.00微米。本發(fā)明密封不需對密封面進行幾何形狀加工，密封面結(jié)構(gòu)簡單，加工容易、成本低；密封力或外界載荷變化范圍大，泄漏量小；摩擦系數(shù)低，磨損很輕，壽命長，能耗低，封漏性好；具有優(yōu)良的密封穩(wěn)定性和抗外界干擾能力。
文檔編號F16J15/16GK101413584SQ200810235470
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者張永斌, 袁虹娣 申請人:淮海工學(xué)院