一种端面带有叶脉状形槽的机械密封结构的制作方法

本发明提供一种端面带有叶脉状形槽的机械密封结构，具体地说，是一种在动环或静环的端面上开设一定数量的叶脉状形槽，属于流体密封中的旋转轴密封技术领域。

背景技术：

机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，故又称为端面密封。机械密封广泛地应用于离心泵、离心机、反应釜和压缩机等设备上。随着工业领域的快速发展，实际应用中要求机械密封适应在高压、高速，突变工况等较极端的工况条件，这样就对机械密封的性能提出了更高的要求。传统的接触式机械密封端面间无法形成稳定的液膜、端面的磨损、密封环的热裂等都容易导致密封的失效。而目前的非接触式密封主要是在动、静环端面上进行改形(深槽型、浅槽型以及织构型)，这些结构在一定层度上提高了机械密封性能，但还存在一些不足之处：对于深槽型的尽管其摩擦耗能低，端面开启能力也较强，但是泄漏量大于相同规格的普通端面机械密封。同时工作中排屑的性能较差，宜造成颗粒的堆积；各种织构型都存在抗压能力、端面间流体膜厚不足，或都流体膜刚度不足以抵抗外界干扰，导致密封系统不正常稳定运行，也存在排屑能力差的问题。据此，设计一种机械密封结构端面构型，能够同时产生流体静压力、流体动压力、减少密封端面的接触，可以有效地避免密封的失效，同时保持较小的端面间隙以控制泄漏量。

技术实现要素：

(一)目的

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种端面带有叶脉状形槽的机械密封结构，它是一种抗压及抗干扰能力强，高参数下具有较小泄漏量，启停过程流体动压效果好、正常运行时流体承载力充足的新型机械密封结构。提高机械密封性能。

(二)技术方案

现有的机械密封结构(如图1所示)是一个圆柱体：后端面、圆柱面、前端面，一般作为密封面的是前端面。

本发明是一种端面带有叶脉状形槽的机械密封结构，其特征在于：该机械密封结构的前端面即密封面是由外环(1)、内环(2)、密封堰区(3)、密封坝区(4)及叶脉状形槽(5)组成，它们都位于该机械密封结构的前端面即密封面上的不同位置。

所述的外环(1)，是该机械密封结构密封面的外圆面；

所述的内环(2)，是该机械密封结构密封面的内圆面；

所述的密封堰区(3)，是两叶脉状形槽(5)之间的部分；

所述的密封坝区(4)，是叶脉状形槽(5)的末端(如图2中的虚线位置)与内环(2)之间的圆环部分；

所述的叶脉状形槽(5)，开设在该机械密封结构的密封面上，因其形状类似于树叶的叶脉，所以称其为叶脉状形槽；该叶脉状形槽(5)共有6～12个，其个数随该机械密封结构的大小而改变，各个叶脉状形槽(5)以该机械密封结构的轴线中心对称布置。

该叶脉状形槽(5)，如图4所示，是由第一支槽(51)、第二支槽(52)、第三支槽(54)，第四支槽(55)和主槽(53)组成；第一、二、三、四共四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)都是直槽，其槽宽是相等的，为0.5～1.5mm；该主槽(53)为螺旋槽，其螺旋线为对数螺旋线，螺旋槽的倾角为18°～28°；该四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)与主槽(53)之间的夹角为20°～45°；四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)的槽宽与主槽(53)的槽宽之比为1∶2；四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)的槽深与主槽(53)的槽深相同，槽深为2～6μm。

如图5所示，该第一、四支槽(51)、(55)及主槽(53)的末端是小圆弧，都处于同一半径r1的圆上，r1的圆心是该机械密封结构的圆心；支槽(52)末端与支槽(54)末端也是小圆弧，此两段小圆弧处于同一半径r2的圆上，r2的圆心是该机械密封结构的圆心；该r2圆与主槽(53)的交点是支槽(51)及支槽(55)的始端；支槽(52)及支槽(54)的始端是半径为r3的圆与主槽(53)的交点，r3的圆心是该机械密封结构的圆心；该第二、三支槽(52)、(54)的始端是半径为r3的圆与主槽(53)的交点，r3的圆心是该机械密封结构的圆心。

整个机械密封结构(如图3所示)，其内径为外径为机械密封结构的轴向厚度为l；整体毛胚由铸造而成然后进行机加工，密封端面进行精密的形貌处理。

(三)优点及功效

本发明的有益效果是：(1)在严格要求旋转轴不可逆转的使用情况下，对称叶脉状形槽有效地提高了流体动压效应，减小了因机械密封端面不平度引起的副作用，提高了机械密封的工作效能；(2)因形槽的主槽开口是朝向高压区也就是密封腔，这样整个形槽具有流体静压效应，使得机械密封在流体静压作用下，静止状态下开启。(3)避免了实体密封环因受热不均匀导致变形甚至机械密封端面开裂的问题，叶脉状形槽可以有效防止密封流体中颗粒的堆积，密封坝区4的存在可以实现轴静止时的静密封。(4)可以有效避免小膜厚、小压差的极端工况下的碰摩失效，实现了密封的非接触、提高耐磨损，延长了使用寿命，提高了密封的可靠性。

附图说明

图1为现有机械密封结构示意图。

图2为本发明机械密封结构的主视图。

图3为本发明机械密封结构的轴侧图。

图4为叶脉状形槽的放大视图。

图5为叶脉状形槽的几何尺寸图。

图6为本发明机械密封结构的旋转方向示意图。

图1中的序号、代号说明：

后端面，圆柱面，前端面(密封面)

图2中的序号，代号说明：

1为外环，2为内环，3为密封堰区，4为密封坝区、5为叶脉状形槽。

图3中的序号，代号说明：

为整个机械密封的内径，为整个机械密封结构外径，l为机械密封结构轴向厚度。

图4中的序号，代号说明：

51为支槽、52为支槽、53为主槽、54为支槽、55为支槽。

图5中的序号，代号说明：

r1为支槽51末端、支槽55末端及主槽53末端圆弧的半径。r2为支槽52末端与支槽54末端圆弧的半径，该圆与主槽53的交点是支槽51始端及支槽55始端。r3为以该半径的圆弧与主槽53的交点，即为支槽52始端及支槽54始端。图6中的序号，代号说明：

高压侧(密封腔)、低压侧(密封泄漏侧)、旋转方向(旋转轴的转动方向)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体说明。

本发明实施例的结构如图1～图6所示。包括外环(1)、内环(2)、密封堰区(3)、密封坝区(4)、叶脉状形槽(5)。如图2所示，都是位于机械密封结构的前端面(密封面)上的不同位置。整个机械密封结构的内径为外径为机械密封结构的轴向厚度为l。机械密封结构的前端面(密封面)上开有8个叶脉状形槽(5)其个数随机械密封结构的大小而改变，各叶脉状形槽以机械密封结构的轴线中心对称。叶脉状形槽(5)包括第一支槽(51)、第二支槽(52)、第三支槽(54)、第四支槽(55)和主槽(53)。第一、二、三、四共四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)都是直槽，其槽宽是相等的，为0.6mm；该主槽(53)为螺旋槽，其螺旋线为对数螺旋线，螺旋槽的倾角为20°；该四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)与主槽(53)之间的夹角为20°～45°；四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)的槽宽与主槽(53)的槽宽之比为1∶2；四根支槽(51)、(52)、(54)、(55)的槽深与主槽(53)的槽深相同，槽深为5μm。

该第一、四支槽(51)、(55)及主槽(53)的末端是小圆弧，都处于同一半径r1的圆上，r1的圆心是该机械密封结构的圆心；支槽(52)末端与支槽(54)末端也是小圆弧，此两段小圆弧处于同一半径r2的圆上，r2的圆心是该机械密封结构的圆心；该r2圆与主槽(53)的交点是支槽(51)及支槽(55)的始端；支槽(52)及支槽(54)的始端是半径为r3的圆与主槽(53)的交点，r3的圆心是该机械密封结构的圆心；该第二、三支槽(52)、(54)的始端是半径为r3的圆与主槽(53)的交点，r3的圆心是该机械密封结构的圆心。

本发明一种端面带有叶脉状形槽的机械密封结构的主槽开口朝向高压侧也就是密封腔，这样使得高压侧流体在流体静压的作用下可以进入密封端面，在转轴旋转之前将动、静环分开，以避免旋转时端面密封坝区的磨损。当机械密封结构开始旋转时，由于支槽的存在，形成明显的流体动压效应，并且由于形槽的对称性，沿旋转方向流体压力不断累积，产生富集效应；密封启动阶段可以使端面更快分开；在停车阶段可以有效避免端面的过度摩擦而引起密封的失效；同时在动态扰动存在时，小膜厚下端面膜承载力的增加可以有效地避免端面的接触引起的磨损，提高了密封的抗干扰能力。在密封正常运行时，机械密封结构沿图6所示的旋转方向转动，其四个支槽是形成动压效应，特别是第三支槽(54)、第四支槽(55)，主槽(53)起到了排出因磨损产生的颗粒及形成像液体向外甩出的效应。同时在正常运行时将克服传统机械密封存在的开启力、刚度不足等问题，有效地提高了密封运行的稳定性。