密封环以及带有该密封环的机械密封装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械密封领域，涉及一种在密封端面设有开口于内周边的浅槽的密封环，特别涉及一种在密封端面设有开口于内周边、槽底为曲面的浅槽的密封环，还涉及一种具有该密封环的机械密封装置，适用于各种形式的外流式机械密封或者上游栗送机械密封。
【背景技术】
[0002]机械密封广泛应用于栗、压缩机、反应釜、搅拌器、离心机和过滤机等传输或处理各种流体的旋转设备。在机械密封中，动密封环(亦称动环)随轴一起旋转，并和静密封环(亦称静环)紧密贴合组成主密封，以防止密封介质泄漏。机械密封的使用性能主要取决于两密封环的密封端面之间的摩擦状态，主要磨损部分也发生在密封端面，因此动环和静环是机械密封的核心部件。机械密封一般分为接触式机械密封和非接触式机械密封两种。在接触式机械密封中，互相贴合的两个密封环的密封端面一般被设计和制造得尽可能平整，以便使两个密封端面紧密贴合时间隙尽可能小从而减小泄露。然而，接触式机械密封主要在混合摩擦和边界摩擦状态下工作，两个密封端面一般处于接触状态，磨损、功耗和发热量都比较大，寿命较短，在高速、高压下使用受到限制。
[0003]通过在密封环平端面开设浅槽可以增强密封端面的润滑，降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，提高密封的稳定性和寿命。目前在端面开设浅槽的机械密封已经发展成为一种典型的非接触式机械密封。这种非接触式机械密封是在其中一个密封环的平端面开设一系列的深度为微米级的浅槽，如螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽、直槽以及各种异形槽等，在运转时，由于浅槽的动压效应，将进入该槽的密封流体的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这两个面推开而不接触，并在之间形成连续、稳定的密封流体的薄膜，实现非接触密封。
[0004]浅槽一般在碳化钨、碳化硅、氮化硅等硬质密封环的密封端面上开设，高精度加工比较困难，但是其几何形状对流体薄膜的厚度、刚度、承载能力和稳定性影响较大，良好的浅槽几何形状设计及高精度加工是机械密封的核心技术。
[0005]公知的在密封端面设有浅槽的密封环，还存在不足。
[0006]例如，普通的平底等深螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽以及各种异形槽，由于槽深相等，对密封流体的压缩不强，流体动压效应不强，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封性能的不稳定。
[0007]通过在密封环的密封端面开设非等深的浅槽来增强端面流体的动压效应，进而增大端面流体薄膜的承载能力和流体膜薄刚度，从而提升密封运行稳定性和可靠性并延长使用寿命，是机械密封的主要发展方向之一。
[0008]例如，公开号CN1415877A的中国专利文献公开了一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其密封环的密封端面上开设的螺旋浅槽的槽深从高压测到低压测逐渐变浅；公开号CN101985981A的中国专利文献公开了一种槽底为斜平面的斜直线槽机械密封环；公开号US5722665A的美国专利文献公开了一种由两级平底台阶或斜底台阶构成的动压槽；公开号CN102927282A的中国专利文献公开了一种沿径向次第变深的多级平底台阶构成的螺旋槽机械密封端面；公开号CN101469771A的中国专利文献公开了一种可双向旋转的阶梯圆弧槽机械密封端面。这些非等深浅槽一般具有结构精细而精度高，粗糙度要求严格的特点，可加工性一般较差，有的很难加工出来，有的甚至无法直接加工出来，现多采用高能激光束分层加工来近似成形，在加工精度和表面粗糙度等方面存在不足。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种在密封端面设有开口于内周边、槽底面为曲面的、从内径侧向外径侧逐渐变浅的浅槽的密封环以及带有该密封环的机械密封装置。
[0010]—个圆周在三维空间中有五个自由度，可以借助数学方法，选择五个独立变量建立坐标系和方程来描述该圆周的位姿和位置及其运动。而瞬时位姿和位置可以由直线运动或转动或由它们构成的复合运动来描述。当以适当的位姿在密封环上沿着一条直线或曲线运动时，就可以生成曲面。如果该圆周与密封环内侧面的交点比与密封端面的交点低，那么所生成的曲面从内径侧向外径侧是逐渐变浅的。因此从数学角度来讲，设计出以一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面为底面的、开口于内周边的、从内径侧向外径侧逐渐变浅的浅槽是可行的。
[0011]此外，在机械制造领域利用刀具进行切削加工时形成表面的过程就是控制刀具的刀刃沿一定轨迹运动将工件上多余材料去除的过程。采用端面宽度较窄的杯形砂轮磨削时，从磨削加工表面成形的角度来看，杯形砂轮相当于一个具有切削功能的圆周，如果所用的砂轮半径与设计浅槽时所用的圆周半径相等，杯形砂轮相对于密封环所做的成形运动与浅槽设计时所用运动规律一致，磨削时就没有表面形成原理误差，可以精确成形，实现高精度加工。因此从加工角度来讲，高精度加工出以一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面为底面的、开口于内周边的、从内径侧向外径侧逐渐变浅的浅槽也是可行的。
[0012]本发明采用如下技术方案来实现:
本发明的第一个方面提供了一种密封环。该密封环包括平的密封端面，在密封端面上设有开口于内周边的浅槽，所述的浅槽是曲面槽，所述的曲面槽的底面是曲面，所述的曲面是由一圆周在三维空间按运动规律运动时由运动轨迹所形成的光滑连续曲面的一部分，所述的浅槽具有从内径侧向外径侧逐渐变浅的形状。
[0013]所述的圆周的半径的范围为20~500毫米。
[0014]所述的曲面最低处的深度的范围为0.5-200微米。
[0015]所述的曲面内任意一点的高斯曲率为正。
[0016]所述的浅槽的底面由一个光滑曲面构成，或者由两个光滑曲面连接构成，或者由两个以上光滑曲面连接构成。
[0017]所述的浅槽与密封端面的交线是一条光滑曲线，或者由若干条光滑曲线连接而成，或者由直线与曲线连接而成。
[0018]所述的浅槽关于密封环的径向线是大体对称的。
[0019]所述的浅槽关于密封环的径向线是明显不对称的。
[0020]所述的浅槽在密封端面的投影大致呈螺旋形状。
[0021]所述的曲面与密封端面的交线呈与旋转方向反向凸出的流线形状。
[0022]所述的浅槽还包括陡立的侧壁。
[0023]所述的曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大、并在最深处与陡立侧壁交接而终止，曲面槽具有沿周向逐渐变浅的形状，或者所述的曲面沿周向的深度从0逐渐达到最大后再逐渐变小、但还没有全部达到0时就与陡立侧壁交接而终止，形成一种曲面在发散区域未完全扩展到密封端面的浅槽。
[0024]所述的浅槽的数量的范围为2?200个。
[0025]在所述的密封端面设有一组相同的、沿圆周方向按规律分布的浅槽，或者包含若干组不同的浅槽，每组沿圆周方向均匀分布。
[0026]所述的浅槽彼此不连接，相隔有一定距离，而且不越过密封端面外周边。
[0027]在所述的相邻浅槽之间，还可以设有T型槽、圆弧槽、螺旋槽、矩形槽等常规结构形式的流槽来增强动压效应，或在坝面设有环槽来抑制泄漏，或在内径侧设有导流槽来增强密封流体的供应，或者在密封端面设有开口于外周边的、底面为曲面的浅槽来增强动压效应。
[0028]本发明的第二个方面是提供了一种带有本发明所述的密封环的机械密封装置。该机械密封装置包括腔体，腔体上固定有静环，静环带有密封端面，静环套在转动轴上，转动轴上固定有动环，动环上也带有密封端面，静环靠近动环的密封端面，工作时，两个密封端面近乎贴合，间隙中有密封介质，转动轴带动动环相对于静环转动，密封介质通过两密封端面间的间隙泄漏，所述的动环或静环为本发明