间隙密封结构及轴承的制作方法

本发明涉及一种密封结构，特别是一种应用于轴承上的间隙密封结构及基于该流体密封机构的推力轴承。

背景技术：

一般的密封方式除了机械接触摩擦方式以外，能耗较小、摩擦力比较小的方式一般是磁流体密封，但是存在造价高、加工难度大、结构复杂、涡流损耗、发热且不能抗高温等缺陷。

轴承的需求非常广泛，是国民经济发展的关键机械基础件，重要性不言而喻。机械接触方式的轴承，磨损和阻力是固有的缺点，特别是推力轴承。目前实现较低损耗的方法是超导磁悬浮推力轴承，但是造价高、结构复杂和轴向承载力低、自身功耗等是一直难以解决的问题。为了降低磨损，减少摩擦力损耗，一般使用动/静压气体轴承或者动/静压轴承，但是存在漏气/液的问题，或者需要单独的供气、液的动力装置。

飞轮储能是一种物理储能，与化学储能相比，飞轮储能在环境保护、高可靠性、工作寿命很长、充放电速度可快可慢等方面具有的天生优势，是化学储能无法比拟的。现阶段，大容量的飞轮储能电池存在的问题是无法长时间保存电能，原因是没有方法降低推力轴承的摩擦力，特别是大质量飞轮产生的大的轴向力的推力轴承的摩擦力，从而无法实现飞轮在旋转的过程，微耗地长时间保持转速，如何减小飞轮运转时的轴承损耗、风摩损耗和空载损耗，成为大能量飞轮高效率、长时间储能必须解决的关键问题。而解决了这一技术难题，在太阳能发电，风力发电，调峰，汽车储能飞轮电池等领域会有非常广泛的用途。

固体由于自身的特性，分子与分子之间难以移动，凝结过程使得固体表面无法通过分子表面张力凝聚成平滑的表面层，至少在分子或原子层面，表面是没有规律的高低不平，这就造成固体密封的壁面必须紧密接触从而消耗能量，而且接触面必须通过润滑油来阻止摩擦带来的磨损，能量的损耗和壁面的物理磨损不可避免。

气体的自身特性虽然也是流动性，但是对比液体来说，没有符合帕斯卡定律，即压强会平均于气体所能到达的任何地方，最终保持任何地方的压强相等，这个特性造成普通接触密封的方式根本无法彻底防范空气的渗透。

流体由于自身的特性，即流动性和不可压缩性，使得流体内部，流体与流体，流体与固体的接触面，可以无限制地吻合，但正是由于有流动性，即，流体会随从压力的方向流动，这就使得流体在传统方法下无法作为密封体单独的实现间隙密封的功能，以润滑油为例，通常需要额外的做功来把润滑油在相应的密封位置。

浸润与不浸润现象是一种发生在固体和液体之间的物理现象，产生的原因可以用分子力作用解释，当液体与固体接触时，在接触面形成一个液体薄层，这个液体薄层叫做附着层。附着层内部的分子同时受到液体分子和固体分子的吸引。如果固体分子对液体分子的引力大于液体分子之间的引力，那么附着层的分子密度将会大于液体的分子密度，此时附着层内的分子相互作用表现为斥力，液面呈现扩散的趋势，形成浸润现象。如果固体分子对液体分子的引力小于液体分子之间的分子密度，此时附着层内的分子相互作用表现为引力，液面呈现收缩的趋势，便形成了不浸润现象。如果液体对固体浸润，同时固体内部存在毛细管，那么因为毛细作用，液体会渗透到固体的内部，如果液体对固体不浸润，那么因为毛细作用，液体在进入该固体毛细管的时候，则需要一定的外力，这个力与毛细间隙的间隙宽度成反比，与流体的表面张力成正比。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种间隙密封结构及轴承，以至少使需要密封的动体和静体之间具有低磨损。

本发明的一个方面是提供一种间隙密封结构，包括：

流体，该流体在动体和静体需要密封的壁面的间隙内形成至少一个间隙密封;

和保持结构，该保持结构设置在动体和静体中的一个或两个的壁面上，用于将流体保持在预定的密封部位限制流体的移动并在壁面之间形成流体密封环。

作为优选的技术方案，所述的动体和静体需要密封的壁面上设置有浸润部作为流体的保持结构，该浸润部设置在其中一个或两个壁面，与流体接触的浸润部的表面材质与流体是浸润关系，浸润部以外的动体和静体的壁面与所述流体是不浸润关系。

作为优选的技术方案，所述的浸润部是形成于壁面的条状或带状结构的浸润带。

作为优选的技术方案，所述的浸润带上开有至少一条凹陷的梯形槽或C型槽形成浸润槽。

作为优选的技术方案，动体或静体的壁面向内形成至少一个凹槽，凹槽内注有所述的流体，流体突出槽口平面并与相对的壁面接触形成所述的间隙密封，流体与凹槽内表面浸润、与除了凹槽以外的动体或静体的壁面不浸润。

作为优选的技术方案，所述的保持结构是形成于壁面上的凹槽或凸起，该凹槽或凸起与其所在的壁面形成容置所述流体的空间。

所述的流体选用具有较大表面张力的液体，作为优选的技术方案，所述的流体为水银或水或液体油。对水银而言，与该水银不浸润的壁面材质为玻璃，或聚四氟乙烯等高分子材料。水银具有表面张力大、凝固点低，常温下是液态，沸点高等优点，水银与聚四氟乙烯以及大多数材料不浸润，与干净的铁、镍、铂或者铁镍合金浸润。聚四氟乙烯的低粘性以及低摩擦力，可以更大程度低降低水银与动体的摩擦力。相比其它材料，水银和聚四氟乙烯的理化性质更稳定，不易变质，无需经常更换。

上述间隙密封结构磨损小，结构简单、制造和维护成本低。

基于以上密封结构，本发明的另一方面是提供一种推力轴承，该推力轴承具有低磨损、轴向承载力大、径向稳定、密封性能好的特点。所述的推力轴承包括上述述的间隙密封结构、轴圈和轴座，所述的轴圈同轴心地插套于轴座内，轴圈的外壁面与轴座的相对壁面之间设置有所述的包括流体和保持结构的间隙密封结构，轴圈与轴座内侧形成内空腔，壁面之间的流体形成流体密封环，两个以上流体密封环之间形成间隙空腔。

作为优选的技术方案，使用与浸润带或浸润槽浸润、与另一个相对的壁面接触的流体形成所述的流体密封环，流体与浸润带或浸润槽内表面浸润、与除了浸润带或浸润槽以外的轴圈和轴座的壁面不浸润。

作为优选的技术方案，所述的浸润带或浸润槽开设在静体的轴座面向动体的一面，动体的轴圈不设置浸润带或浸润槽。

作为优选的技术方案，所述的轴座顶部设有轴盖，轴盖内形成有外空腔，轴圈顶部有在外空腔内部的推力输出轴，流体密封环将外空腔与内空腔隔开。

作为优选的技术方案，所述的间隙空腔、内空腔和外空腔中的任意一个或多个中的气体为空气或惰性气体。

作为优选的技术方案，所述的轴圈的壁面和对应的轴座的壁面包含弧面。

作为优选的技术方案，包括在轴圈轴向的一侧或两侧并与轴圈同轴心连接的推力轴。

本发明轴承具有流体密封的效果，此外，使用气泵通过充、抽空气的方法使内空腔气压大于轴圈上部气压，气压差产生的气体流动只能由轴圈与轴座之间的间隙通过，空气会被间隙中的间隙密封隔离开，保持内空腔与外空腔的气压差不变，从而形成轴圈稳定的轴向力。

间隙空腔的气压和流体密封环的压力使轴圈与轴座之间产生均匀的径向力约束轴圈移动，有动压或静压轴承的有益效果，且径向约束力与流体密封环之间的间隙数量或宽度或压力或轴圈转速成正比。

相邻的两个间隙空腔的气压差引起的对流体密封环的轴向推力小于该流体因毛细作用的斥力，即，足够细的间隙和足够大的流体表面张力，可以产生足够抵挡流体密封环两侧的气压差产生的轴向压力。

本发明利用气/液悬浮方式，实现了悬浮推力轴承的效果，利用本发明的流体间隙密封阻隔了气/液在间隙中的流通，具有低磨损、径向稳定、轴向力大，具有磨损小，成本低的优点。与磁悬浮轴承相比，具有成本低，功耗小的特点。在密封方面，成本更低，结构更简单，并且没有磁流体密封所产生的强磁和涡流损耗影响。本发明所述的推力轴承与现有机械轴承相比，噪音更小，磨损少，维护成本低。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种飞轮储能电池，包括上述推力轴承，轴承的输出端连接飞轮，飞轮上部连接电能-转动能转换装置。

外空腔与内空腔有气体的压力差并由所述密封结构隔离，使得飞轮被悬浮且不与轴承座物理接触。本发明实现了磁悬浮推力轴承的功能，但与磁悬浮轴承不同的是，本装置可以将转动部分无需密封输出，无需能耗，克服了磁悬浮推力轴承内部由于真空，所以动力必须由动力/电力转换装置输出带来损耗和造价高昂的局限性。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明间隙密封结构的结构示意图。

图2是两侧均有浸润带的间隙密封结构的示意图。

图3是仅一侧有浸润带的间隙密封结构的示意图。

图4是仅一侧有浸润槽的间隙密封结构的示意图。

图5是两侧有浸润槽的间隙密封结构的示意图。

图6是有凹槽的间隙密封结构的示意图。

图7是有凸起的间隙密封结构的示意图。

图8是本发明推力轴承的一种结构示意图。

图9是本发明飞轮储能电池的结构示意图。

图10是具有弧形间隙密封推力轴承的结构示意图。

图11是本发明具有弧形间隙密封的飞轮储能电池的结构示意图。

图中，1-动体，2-静体，3-凹槽，4-轴圈，5-轴座，6-内空腔，7-流体密封环，8-间隙空腔，9-环形槽，10-轴盖，11-外空腔，12-推力输出轴，13-推力轴，14-飞轮，15-电能-转动能转换装置，16-气泵，17-液体管道，18-液体泵，19-空气管道，20-空气泵。21-浸润带，22-浸润槽，23-凸起。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示的间隙密封结构，包括：流体和保持结构，流体在动体1和静体2需要密封的壁面的间隙内形成至少一个间隙密封; 保持结构设置在动体1和静体2中的一个或两个的壁面上，用于将流体保持在预定的密封部位限制流体的移动并在壁面之间形成流体密封环。

在此基础上，本发明进一步利用流体与壁面材料的浸润或不浸润的关系。即所述的动体1和静体2需要密封的壁面上设置有浸润部作为流体的保持结构，该浸润部设置在其中一个或两个壁面，与流体接触的浸润部的表面材质与流体是浸润关系，浸润部以外的动体1和静体2的壁面与所述流体是不浸润关系。所述的流体为水银、水或液体油，流体为水银时，与该流体部浸润的密封面材质为玻璃，聚四氟乙烯或其他表面能比较低的材料，浸润的材料可以为铁、镍、铂或者铁镍合金，但不限于此。所述的液体油可以选择液压油、润滑油，本本领域技术人员可相应地选择与所述液体油浸润或不浸润的壁面材料。

作为优选的实施例，如图2、图3所示，所述的浸润部是形成于壁面的条状或带状结构的浸润带21。流体会被浸润带吸附并与对面的壁面接触，并延伸形成流体密封环状或带状的密封结构，吸附产生的力与上述毛细作用产生的阻力，使得每一个密封结构都对密封两侧的气压差有一定的阻碍作用，多个保持机构如浸润带和流体密封环构成的密封结构会增强密封效果。在此基础上，为了增强浸润带的浸润吸附作用，如图4、图5所示，进一步优选的实施例是所述的浸润带上开有至少一条凹陷的梯形槽或C型槽形成浸润槽22。

在该实施例中，所述的流体密封环与壁面的浸润关系有2种。如图4所示，关系（1）是可以是一面与所述浸润槽吸附，与另一面的密封面的壁面不浸润的接触的关系；如图5所示，关系（2）是与两个密封面壁面都有浸润槽，流体密封环与两者都是浸润接触的关系；对于关系（1），在一侧的密封面上有浸润带，流体与浸润带浸润吸附，另外一侧是不浸润的，是接触关系，可以减少摩擦力从而增加转速。对于关系（2）与两侧壁面都是浸润的，可以增加流体密封环对浸润带的附着能力，提升密封效果，

作为另一优选的实施例，如图6所示，动体1或静体2的壁面向内形成至少一个凹槽3，凹槽3内注有所述的流体，流体突出槽口平面并与相对的壁面接触形成所述的间隙密封，流体与凹槽内表面浸润、与除了凹槽以外的动体1或静体2的壁面不浸润。

作为又一优选的实施例，如图6和图7所示，所述的保持结构是形成于壁面上的凹槽3或凸起23，该凸起23与其所在的壁面形成容置所述流体的空间。该凹槽3可以是C型槽或梯形槽。多个凸起可以形成储存液体的Ｃ形槽，Ｃ形槽内注有所述的流体，流体突出槽口平面并与相对的密封面接触形成所述的间隙密封，相对的密封面也可以有保持机构，流体被Ｃ形槽保持在内部及相对的壁面之间，所述的流体，与槽口以外的密封面壁面材料不浸润。本实施例中的流体密封环与壁面的关系也同样可以是上述2种关系，不同的是本实施例可以是关系（3），即流体与两侧壁面均不浸润，在这种情况下，凹槽3和凸起23均可作为流体的储存装置存在，也可以实现密封效果，但是装配更复杂。

图8所示的推力轴承，包括间隙以上实施例中所述的间隙密封结构以及轴圈4和轴座5，这里所述的间隙密封结构可以采用前述实施例中的任意一种结构。

优选地，如图8所示的推力轴承，包括轴圈4和轴座5，所述的轴圈4同轴心地插套于轴座5内，轴圈4的外壁面与轴座5的相对壁面之间形成间隙密封，轴圈4与轴座5内侧形成内空腔6，所述的间隙密封包括与轴圈4和轴座5的密封面中的至少一个密封面上的浸润带或C形浸润槽浸润、与另一个相对的密封面接触的流体形成的流体密封环7，流体与浸润带或浸润槽内表面浸润、与除了浸润带或浸润槽以外的轴圈4和轴座5的密封面不浸润。两个以上流体密封环7之间形成间隙空腔8。

优选地，所述浸润带或浸润槽开设在静体的轴座5面向动体的一面，优选的，动体的轴圈4不设置浸润带或浸润槽。

优选地，在轴座5和轴圈4的至少一个密封面上形成环形槽9，环形槽9内注有所述的流体，环形槽9内的流体突出槽口平面并与相对的密封面接触形成与轴座5和轴圈4同轴心的流体密封环7。对环形槽9的深度及方向没有限定。

以上所述的流体优选为水银，也可以是水或液体油。当流体为水银时，与该流体不浸润的密封面材质为聚四氟乙烯，浸润的材料可以为铁、镍、铂或者铁镍合金或其他非金属材料，但不限于此。

优选地，所述的间隙空腔8、内空腔6和外空腔11中的任意一个或多个中的气体为空气或惰性气体，充入惰性气体后可减少上述空腔表面材料的腐蚀、氧化、摩擦。

如图8所示，环形槽9开于轴座5内侧面，流体与环形槽9内壁材料浸润，与轴圈4密封面不浸润，流体与环形槽槽口以外的轴座壁面不浸润。流体密封环7突出槽口平面部分被表面张力引起的毛细作用斥力束缚在相邻的间隙空腔8之间。密封面之间的间隙越小，流体密封环7穿过间隙的阻力越大，流体表面张力系数越大，流体密封环7穿过间隙的阻力越大。相邻的流体密封环7之间有一定的距离且平行，使得不会因为流体密封环7的流体突出槽口部分因仅受到限定压力产生轴向位移就互相触碰。流体密封环7的流体与装载流体的环形槽9的内表面为浸润，流体被与环形槽9内表面有因浸润产生的毛细作用吸附力吸附在环形槽9内，流体在毛细作用下，可以沿着环形槽9环状自动吸附并蔓延全部环形槽9，直至使得流体在环形槽9内保持相对槽口相同的深度，突出槽口并与对面的壁面紧贴。环形槽9也可以开于轴圈的密封面，流体与环形槽内壁浸润，与轴座壁面不浸润，与槽口外的壁面不浸润。

此外，在图8结构中，也可以采用流体与环形槽9内壁材料浸润，与轴圈4密封面的浸润带浸润。

如图8所示，轴座5顶部设有轴盖10，轴盖10内形成有外空腔11，轴圈4顶部有在外空腔11内部的推力输出轴12，流体密封环7将外空腔11与内空腔6隔开。外空腔与内空腔均可连接气泵16，通过气泵16抽空气，调节两个空腔内的压力差，从而形成轴圈4的轴向力。

图8所示的推力轴承，环形槽9内有通往轴承外部的液体管道17，该液体管道17外端与液体泵18连接，调节环形槽内的液量。间隙空腔8内有通往轴承外部的空气管道19，该空气管道19外端与空气泵20连接，可以调节间隙空腔8内的压力。

图10所示的推力轴承，轴圈4的密封面和对应的轴座5的密封面包含弧面，该轴承具有调心功能。

如图8所示，在轴圈4轴向的一侧或两侧并与轴圈4同轴心连接的推力轴13。所述空腔中的任意一个空腔的气压为标准大气压时，可以无需密封地把推力轴输出到轴承以外。可以在所述的轴盖10顶部和/或轴座5底部开轴向力输出孔，推力轴13端部贯穿所述的轴向力输出孔，轴向输出孔与推力轴为间隙配合。没有轴向输出孔时，推力轴13与轴盖和/或轴座有轻触止推装置。有轴向输出孔时，该推力轴13可直接输出推力。

图9所示的是一种飞轮储能电池。

考虑到飞轮的特殊性，即：质量较大且轴向压力固定，本实例采取较大气压差换取较小的密封圈直径。由于飞轮的设定转速较高，因此对空气摩擦损耗有敏感的要求，所以本实例采用飞轮14和电能-转动能转换装置15所在外空腔11为真空。

图9所示的飞轮储能电池，包括本发明所提供的推力轴承，该推力轴承可以采用前述实施例中任意一种结构。优选地，该推力轴承包括轴圈4和轴座5，所述的轴圈4同轴心地插套于轴座5内，轴圈4的外壁面与轴座5的相对壁面之间形成间隙密封，轴圈4与轴座5内侧形成内空腔6，所述的间隙密封是由轴圈4和轴座5的密封面中的任意一个密封面浸润、与另一个相对的密封面不浸润的流体形成的流体密封环7，两个以上流体密封环7之间形成间隙空腔8；轴座5顶部设有轴盖10，轴盖10内形成有外空腔11，轴圈4顶部有在外空腔11内部的推力输出轴12，流体密封环7将外空腔11与内空腔6隔开；推力输出轴12上部连接飞轮14，飞轮14上部连接电能-转动能转换装置15。图11所示的飞轮储能电池轴圈4和轴座5的底部为弧形。

由于飞轮的特殊性，即飞轮的质量集中在边缘处，动量最大，因此本实例采用比飞轮直径更小的轴圈4和轴座5，以降低密封面的线速度。

也可以将上述轴圈4和对应轴座5内侧设计成弧形（如图11所示），使得之间的平行间隙壁面为弧面，并且是在轴心上的同圆心，则此飞轮储能系统可以承受轴座左右前后的倾斜，在移动设备上实现了应用，如汽车。

流体水银通过液体泵18的压力调节，经过连接液体管道17注入对应的环形槽9，水银在输入压力与毛细作用力下，均匀地分布并充满环形槽9中。

通过气泵16把外空腔11内的空气抽出，气压降低的过程中，原有间隙空腔8的气体会逐渐穿过流体密封环7，直至外空腔11为真空时自动形成相邻间隙空8之间的阶梯压力差，并形成密封。此步骤也可以通过对应的气泵16在抽外空腔11的同时，对应地实时调整间隙空腔8内的气压差。

为了方便转动飞轮14的动力输出，通过气泵16和使内空腔压力为1个大气压，使得推力轴13通过预留轴向力输出孔部分时无需二次密封而直接输出飞轮14的转动能量。从而也实现了直接动力输入，无限提高充电速度。也可以使飞轮14的动能直接由动力-电能转换机15输出。推力轴13与轴盖10上的轴向力输出孔为闭合密封时，与转动部分实现轻触止推。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。