接触式密封装置及设计方法

1.本发明涉及密封技术领域，尤其是涉及一种接触式密封装置及设计方法。


背景技术：

2.密封是用于防止泄漏的装置。各类密封的性能优化目标均为减少泄漏量和提高寿命(减少摩擦磨损，减少生热，减少端面温升)。在接触式密封结构中，密封的动环与静环保持接触状态，二者之间平均膜厚很小，减少了泄漏量，但会产生大量的热将使密封装置的温度升高；同时，磨损严重，影响密封的寿命；非接触式密封的动环与静环保持分离状态，没有磨损，密封寿命长，但密封界面膜厚较大，泄漏量较接触式密封大。
3.由此可知，接触式密封的工作机理决定了这两个优化目标是相互制约的。目前的一种接触式密封装置，在静止状态时，动环和静环的端面贴合，可以实现良好的静态密封，但是，在密封工作状态时，动环和静环之间存在流体膜(如图5所示),流体膜的膜厚形状及流体膜的较大厚度尺寸会导致流体泄漏量较大，仍有改进的空间。目前的接触式密封装置改进设计方法一般仅针对动环或静环，单一的密封结构优化设计手段只能对单一密封性能进行优化，或寻求泄漏和端面温升的相对“平衡”，没有根据动环和静环中的一个的优化效果对动环和静环中的另一个进行协调的再设计，无法实现泄漏和端面温升同时减少的设计和优化效果。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种接触式密封装置，可同时减少接触式密封泄漏和端面温升。
5.根据本发明第一方面实施例的接触式密封装置，包括：
6.密封动环，所述密封动环设置在主轴上，所述密封动环的外周面上设有微结构；
7.密封静环，所述密封静环设置在静环座上；所述密封静环的一端端面与所述密封动环的一端端面轴向相对贴合；
8.弹性元件，所述弹性元件设置在所述密封静环的另一端端面与所述静环座之间且处于预紧压缩状态；
9.当所述接触式密封装置处于密封工作状态时，所述密封动环与所述密封静环之间处于混合润滑状态，所述密封动环与所述密封静环之间的流体膜的膜厚形状趋向于收敛楔形。
10.根据本发明第一方面实施例的接触式密封装置，在非工作状态时，密封静环在弹性元件的弹力作用下处于预压紧状态，密封静环的一端端面与密封动环的一端端面紧密贴合，实现密封，可以有效地防止流体泄漏；在密封工作状态时，密封动环跟随主轴同步转动，密封静环由于自身结构设计在密封动环转动的过程中产生变形，使得密封静环的一端端面与密封动环的一端端面之间存在微米级厚度的流体膜，密封动环与密封静环之间进入混合润滑状态，属于接触式密封。流体膜的膜厚形状趋向于收敛楔形，该收敛楔形可以理解为流
体膜在靠近流体一侧的厚度尺寸要大于在远离流体的另一侧的厚度尺寸，这样可以有效减少流体从密封静环与密封动环之间泄漏。由于在流体膜的膜厚形状趋向于收敛楔形的同时，流体膜的整体厚度减少，这样，会导致密封动环与密封静环的接触部分增加，引起接触式密封装置摩擦生热增加，由于密封动环的外周面上设置有微结构，极大地增加了密封动环的散热面积，提高了密封动环的冷却效果，从而减少接触式密封的端面温升。由此，本发明第一方面实施例的接触式密封装置可同时减少接触式密封泄漏和端面温升。
11.在一些实施例中，所述密封静环的特定位置设置去除部或/和增厚部。
12.在一些实施例中，所述去除部靠近所述密封静环的一端处的内周面上。
13.在一些实施例中，所述增厚部设置在所述密封静环的另一端处的外周面上。
14.在一些实施例中，所述微结构中的微结构单元的形状、尺寸相同或不同。
15.在一些实施例中，所述微结构中的微结构单元为微凹坑单元或微凸起单元，或部分为微凹坑单元且部分为微凸起单元。
16.在一些实施例中，所述静环座的一端设有环形槽，所述密封静环的另一端设置在所述环形槽中；所述弹性元件位于所述环形槽中。
17.本发明第二方面还提出了一种接触式密封装置的设计方法。
18.根据本发明第二方面实施例的接触式密封装置的设计方法，所述接触式密封装置为根据本发明第一方面任意一个实施例所述的接触式密封装置，所述设计方法包括：
19.调整所述密封静环结构，使得所述接触式密封装置处于密封工作状态时，所述密封动环与所述密封静环之间的流体膜厚形状趋向于收敛楔形，所述流体膜厚整体减小；
20.在所述密封动环的外周面上设置微结构。
21.根据本发明第二方面实施例的接触式密封装置的设计方法，通过调整密封静环结构以及在密封动环的外周面上设置微结构，在这两个方面相结合，可以达到同时减少接触式密封泄漏和端面温升的效果。
22.在一些实施例中，在所述密封静环的特定位置去除部分材料以形成所述去除部，或/和增加部分材料以形成所述增厚部。
23.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1为本发明的接触式密封装置的局部剖视图。
26.图2为本发明的密封动环的示意图。
27.图3为本发明的接触式密封装置处于密封工作状态时密封动环与密封静环之间流体膜厚的示意图，示意出流体膜的膜厚形状呈收敛楔形。
28.图4为本发明的接触式密封装置的设计方法具体流程及逻辑示意图。
29.图5为现有技术的接触式密封装置处于密封工作状态时密封动环与密封静环之间流体膜的示意图。
30.附图标记：
31.接触式密封装置1000
32.密封动环1
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微结构101
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主轴2
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密封静环3
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去除部301
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增厚部302
33.静环座4
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环形槽401
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安装槽4011
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弹性元件5
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防转销6
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密封元件7
34.补偿元件8 流体膜a
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.本发明提供一种可同时减少泄漏和端面温升的接触式密封装置1000与设计方法，以解决现有技术中接触式密封装置减少泄漏与减少端面温升两个优化目标相互制约，无法同时实现的问题。
37.下面结合图1至图4来描述本发明接触式密封装置1000及设计方法。
38.如图1至图3所示，根据本发明第一方面实施例的接触式密封装置1000，包括密封动环1、密封静环3和弹性元件5。其中，密封动环1设置在主轴2上，密封动环1的外周面上设有微结构101(如图2所示)。密封静环3设置在静环座4上；密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面轴向相对贴合(如图1所示)。弹性元件5设置在密封静环3的另一端端面与静环座4之间且处于预紧压缩状态。当接触式密封装置1000处于密封工作状态时，密封动环1与密封静环3之间处于混合润滑状态，密封动环1与密封静环3之间的流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形(如图3所示)。
39.具体而言，密封动环1设置在主轴2上，即密封动环1同轴安装在主轴2上，如可以通过过盈配合固定在主轴2上，这样，在接触式密封装置1000处于密封工作状态时，密封动环1可以与主轴2同步转动。密封动环1的外周面上设有微结构101，微结构101的尺寸较小，径向尺寸可以为从微米到毫米级，深度或高度为微米级。在密封动环1的外周面上设置微结构101，相对于现有技术中未设置微结构的密封动环来说，极大地增加了密封动环1的散热面积，能够有效地提高密封动环1的冷却效果，进而减少接触式密封的端面温升。
40.密封静环3设置在静环座4上，如密封静环3安装于静环座4内，通过静环座4对密封静环3提供安装支撑；密封静环3相对于密封动环1不会发生转动，例如，通过防转销6安装于密封静环3和静环座4之间，限制密封静环3的位置，防止密封静环3转动，除了使用防转销6，还可以在密封静环3上设置凸台，静环座4上设置凹槽，或者在密封静环3上设置凹槽，在静环座4上设置凸台，通过凸台和凹槽配合实现防转功能，相关结构可以为一组或多组。
41.密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面轴向相对贴合，这样，密封动环1处于静态时，即接触式密封装置1000处于非工作状态时，密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面轴向相对贴合而实现密封，此时，二者之间没有流体膜a；也就是说，在接触式密封装置1000处于非工作状态时，通过密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面轴向相对贴合来实现密封，防止流体从密封静环3和密封动环1之间的界面泄漏。
42.弹性元件5设置在密封静环3的另一端端面与静环座4之间且处于预紧压缩状态，这样，在接触式密封装置1000处于非工作状态时，密封静环3在弹性元件5的弹力作用下处于预压紧状态，密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面紧密贴合，实现密封，可以有
效地防止流体泄漏。
43.当接触式密封装置1000处于密封工作状态时，密封动环1与密封静环3之间处于混合润滑状态，密封动环1与密封静环3之间的流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形。可以理解的是，当接触式密封装置1000处于密封工作状态时，密封动环1跟随主轴2同步转动，密封静环3由于自身结构设计在密封动环1转动的过程中产生变形，使得密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面之间产生微米级间隙，这样，位于密封静环3和密封动环1有流体一侧处的流体进入微米级间隙中，形成微米级厚度的流体膜a，密封动环1与密封静环3之间进入混合润滑状态，属于接触式密封。流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形，也就是，流体膜a在靠近流体一侧的厚度尺寸要大于在远离流体的另一侧的厚度尺寸，这样可以有效减少流体从密封静环3与密封动环1之间泄漏。需要说明的是，在流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形的同时，流体膜a的整体厚度也会相对于现有技术的流体膜的膜厚减少，这样，会导致密封动环1与密封静环3的接触部分增加，引起接触式密封装置1000摩擦生热增加，由于密封动环1的外周面上设置有微结构101，极大地增加了密封动环1的散热面积，提高了密封动环1的冷却效果，从而减少接触式密封的端面温升。
44.需要说明的是，密封动环1与主轴2、密封静环3与静环座4、静环座4与机架之间均设有密封元件7，如在密封动环1、密封静环3、静环座4上密封元件7的相应位置需要开设密封槽。密封槽深度小于密封元件7直径尺寸的5％～20％，工作时密封元件7变形。密封元件7在密封槽内受到挤压时产生接触应力，阻止流体泄漏。可选地，密封元件7可以为氟橡胶、丁晴橡胶等材料o型圈，也可以为u型圈等一系列密封圈。
45.综上，根据本发明第一方面实施例的接触式密封装置1000，在非工作状态时(如图1所示)，密封静环3在弹性元件5的弹力作用下处于预压紧状态，密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面紧密贴合，实现密封，可以有效地防止流体泄漏；在密封工作状态时(如图3所示)，密封动环1跟随主轴2同步转动，密封静环3由于自身结构设计在密封动环1转动的过程中产生变形，使得密封静环3的一端端面与密封动环1的一端端面之间存在微米级厚度的流体膜a，密封动环1与密封静环3之间进入混合润滑状态，属于接触式密封。流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形，该收敛楔形可以理解为流体膜a在靠近流体一侧的厚度尺寸要大于在远离流体的另一侧的厚度尺寸，这样可以有效减少流体从密封静环3与密封动环1之间泄漏。由于在流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形的同时，流体膜a的整体厚度减少，这样，会导致密封动环1与密封静环3的接触部分增加，引起接触式密封装置1000摩擦生热增加，由于密封动环1的外周面上设置有微结构101，极大地增加了密封动环1的散热面积，提高了密封动环1的冷却效果，从而减少接触式密封的端面温升。由此，本发明第一方面实施例的接触式密封装置1000可同时减少接触式密封泄漏和端面温升。
46.在一些实施例中，密封静环3的特定位置设置去除部301或/和增厚部302。也就是说，可以在密封静环3的特定位置设置去除部301，即在已有的密封静环3的特定位置上去掉一部分材料，使得密封静环3在该特定位置处对应径向厚度减小；或者可以在密封静环3的特定位置设置增厚部302，即在已有的密封静环3的特定位置上增加一部分材料，使得密封静环3在该特定位置处对应径向厚度变大，在径向厚度增大的情况下，也可以在轴向的背向密封动环1的方向上延长；或者在密封静环3的不同的特定部位既可以设置去除部301又设置增厚部302；由此，通过对密封静环3自身结构的优化调整设计，在接触式密封装置1000处
于密封工作状态时，使得密封动环1与密封静环3之间的流体膜a厚形状趋向于收敛楔形，以减少接触式密封泄漏。
47.在一些实施例中，去除部301靠近密封静环3的一端处的内周面上，由此，可以在接触式密封装置1000处于密封工作状态时，使得密封动环1与密封静环3之间的流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形，以减少接触式密封泄漏。
48.在一些实施例中，增厚部302设置在密封静环3的另一端处的外周面上。由此，可以在接触式密封装置1000处于密封工作状态时，使得密封动环1与密封静环3之间的流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形，以减少接触式密封泄漏。
49.在一些实施例中，微结构101中的微结构单元的形状、尺寸相同或不同。也就是说，微结构101中的微结构单元的形状可以相同，例如，全部为圆形或多边形或者其它形状，微结构101中的微结构单元的形状也可以不同，例如部分为圆形且部分为多边形，甚至还有部分为不规则形状，即微结构单元的具体形状不做具体限定，可以根据实际需要进行选择；微结构101中的微结构单元的尺寸可以完全相同，也可以不完全相同，即微结构单元的具体尺寸不做具体限定，可以根据实际需要进行选择。微结构101中的微结构单元的数量、分布也不做具体限定，也可以根据实际需要进行选择。总之，微结构101中的微结构单元的形状、尺寸、数量和分布均可以改变，以达到不同的冷却效果。
50.在一些实施例中，微结构101中的微结构单元为微凹坑单元或微凸起单元，或部分为微凹坑单元且部分为微凸起单元。也就是说，微结构101中的微结构单元可以全部为微凹坑单元，例如可以是按照一定规律分布的微织构阵列(如图2所示)；微结构101中的微结构单元也可以全部为微凸起单元，例如可以是按照一定规律分布的半球形凸起微结构阵列；微结构101中的微结构单元还可以部分为微凹坑单元且部分为微凸起单元。在此，不做具体限定，可以根据实际需要进行选择。
51.在一些实施例中，静环座4的一端设有环形槽401，密封静环3的另一端设置在环形槽401中，环形槽401为圆环状；弹性元件5位于环形槽401中。这样在组装密封静环3时比较方便。
52.在环形槽401的槽底壁上还开有安装槽4011，安装槽4011的深度根据弹性元件5的尺寸来决定。弹性元件5的外径要小于安装槽4011的内径，保证弹性元件5能够顺利安装，并且避免弹性元件5被压缩时与静环座4产生磕碰。弹性元件5在安装完成后处于静止、预紧、压缩状态，产生弹力，施加到密封静环3上，使得密封动环1与密封静环3的端面处于贴合状态，并具有一定预紧力。弹性元件5可采用各种弹簧，如圆柱弹簧、波形弹簧、蝶形弹簧等。当采用圆柱弹簧时，弹性元件5为多个，多个弹性元件5沿静环座4周向均布，以对密封静环3施加均衡的预紧力，有利于密封动环1与密封静环3的端面处于良好贴合状态。当采用波形弹簧或蝶形弹簧时，弹性元件5一般为单个。
53.在一些实施例中，还包括用于补偿轴向尺寸的补偿元件8。补偿元件8为具有一定厚度的圆环。补偿元件8设置在密封静环3与弹性元件5之间。在装配过程中，可通过测量尺寸链，使用厚度合适的补偿元件8，以补偿密封静环3的轴向尺寸加工误差。
54.本发明第二方面还提出了一种接触式密封装置1000的设计方法。
55.如图1至图4所示，根据本发明第二方面实施例的接触式密封装置1000的设计方法，接触式密封装置1000为根据本发明第一方面任意一项实施例的接触式密封装置1000，
设计方法(如图4所示)包括：
56.调整密封静环3结构，改变接触式密封装置1000处于密封工作状态时接触式密封界面的接触状态，使得接触式密封装置1000处于密封工作状态时，密封动环1与密封静环3之间的流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形，从而达到减少密封装置泄漏量的效果，然而流体膜a的膜厚整体减小，密封动环1与密封静环3的接触部分增加，引起密封装置摩擦生热增加。
57.在密封动环1的外周面上设置微结构101。由于调整密封静环3结构改变接触式密封界面的接触状态，使得密封工作状态下的密封动环1与密封静环3间收敛间隙内膜厚减少，密封动环1与密封静环3的接触部分增加引起摩擦生热增加。为了弥补摩擦生热带来的影响，进一步减少端面温升，在密封动环1的外周面上设置微结构101，接触式密封装置1000处在密封工作状态时，微结构101的存在使得密封动环1的散热面积增加，提高了密封动环1的冷却效果，减少了接触式密封的端面温升。
58.图4示出了本发明第二方面实施例提供的接触式密封装置1000的设计方法具体流程及逻辑。
59.首先，调整密封静环3结构，导致流体膜a的膜厚形状趋向于收敛楔形，流体膜a的膜厚整体减小；进而产生接触式密封泄漏减少和端面生热增加的效果。
60.为了弥补端面生热增加的效果，在密封动环1外周面上设计微结构101，微结构101的存在使得密封动环1冷却效果提高，进而使端面温升减少，且由于设置微结构101而导致端面温升减少的效果相比流体膜a的膜厚整体减少而导致的端面生热占优，因此整体上产生了端面温升减少的效果。
61.根据本发明第二方面实施例的接触式密封装置1000的设计方法，通过调整密封静环3的结构以及在密封动环1的外周面上设置微结构101，在这两个方面相结合，可以达到同时减少接触式密封泄漏和端面温升的效果。
62.在一些实施例中，在密封静环3的特定位置去除部分材料以形成去除部301，或/和增加部分材料以形成增厚部302。也就是说，在调整设计密封静环3的结构时，调整的方式可以为调整密封静环3尺寸，可以在密封静环3的特定位置设置去除部301，即在相对于已有密封静环而言，本实施的密封静环3的特定位置上去掉一部分材料，使得密封静环3在该特定位置处对应径向厚度减小，例如，在靠近密封静环3的一端处的内周面上去除部分材料，形成去除部301；或者可以在密封静环3的特定位置设置增厚部302，即在相对于已有的密封静环而言，本实施例的密封静环3的特定位置上增加一部分材料，使得密封静环3在该特定位置处对应径向厚度变大，在径向厚度增大的情况下，也可以在再轴向的背向密封动环1的方向上延长，例如，在密封静环3的另一端处的外周面上增加材料，形成增厚部302；或者在密封静环3的不同的特定部位既可以设置去除部301又设置增厚部302。然而本发明涵盖各种静环结构和调整方式，并不局限于此。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
64.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。