一种浅槽机械密封的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械密封领域，涉及一种浅槽机械密封，特别涉及一种在密封端面开设槽底面为曲面的浅槽机械密封，适用于各种形式的泵、压缩机、分离机、膨胀机、汽轮机、发动机、反应釜等旋转类机器的轴向端面密封。
【背景技术】
[0002]浅槽机械密封是在其中一个密封环的平端面上开设一系列深度为微米级的动压槽，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，由于动压槽的动压效应，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。浅槽机械密封的动压槽一般在碳化钨、碳化硅、氮化硅等硬质密封面上开设，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，良好的动压槽几何形状设计及高精度加工是浅槽机械密封的核心技术。
[0003]公知的在密封端面开设浅槽的机械密封，还存在不足。
[0004]例如，目前的浅槽在其收敛区域一般采用陡立的槽壁结构，即从坝区和堰区所在的平面以直角立面的形式直接达到槽底，导致液膜厚度在陡立槽壁处阶跃性突变，密封介质被突然压缩，而不是被渐进压缩，因而流体动压效应受到削弱，影响密封运行的稳定性和可靠性。
[0005]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，属于二维收敛型动压槽，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。
[0006]通过在密封端面开设三维收敛型动压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，是浅槽机械密封的主要研宄方向之一。
[0007]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结构；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型；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装置；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。这些三维收敛型动压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】
[0008]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曲面槽的浅槽机械密封，密封端面外径侧为高压测，即上游侧，内径侧为低压测，即下游侧，曲面槽具有从高压测向低压测逐渐变浅和变窄的三维收敛外形，因而具有更强的收敛特性，与现有浅槽机械密封相比，在相同的条件下其流体薄膜的厚度或刚度更大，稳定性和靠性更高，寿命更长，可以使用磨削方法精确成形，加工精度高。
[0009]一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。当以适当的位姿沿着一条直线或曲线运动时，就可以生成曲面。如果将该圆周最低点始终控制在密封端面之外，那么该圆周在三维空间运动时与密封环有两个交点、一个交点或无交点，当有两个交点时，如果第一个交点在密封端面上，第二个交点在密封环外圆面上，那么从第二个交点直至第一个交点范围内圆周上各点相对于密封端面的深度逐渐减小直至为0，所生成的曲面从上游侧向下游侧是逐渐变浅的，从上游侧向下游侧也通常是逐渐变窄的，呈现三维收敛形状。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、从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面槽是可行的。
[0010]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的材料去除的过程。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曲面槽时所用的圆周半径相等，杯形砂轮相对于工件所做的成形运动与曲面槽设计时所用的运动规律一致，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。因此从加工的角度来讲，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、从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面槽也是可行的。
[0011]直线运动和转动是最简单、最容易实现的两种基本运动，机床一般采用单一直线运动、单一转动或采用由多个基本运动组合成复杂的多轴联动来实现刀具与工件的相对运动。机床的运动轴通常是水平或垂直布置的，例如直线运动轴的运动方向一般是水平或垂直的，而转动轴的轴线一般是水平或垂直的。研宄发现，当倾斜于密封端面的圆周绕密封环轴线做单一转动时，形成的曲面是回转面；当一圆周绕平行于密封端面的直线为轴线做单一转动时，生成的曲面是侧立的；当一圆周做垂直于密封端面的单一直线运动时，生成的曲面也是侧立的；当倾斜于密封端面的圆周做平行于密封端面的单一直线运动时，可以生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；当密封环相对于倾斜的圆周做以与密封环轴线平行的直线为轴线转动时，也可以生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。因此当一圆周在三维空间做单一基本运动时可以生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。显然，无论从数学的角度还是从机械加工的角度来说，都可以在上述的单一直线运动或单一转动基础上进一步增加一个直线运动或增加一个转动从而构成由两个基本运动构成的复合运动来生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。
[0012]进一步研宄发现:虽然，当密封环相对于倾斜的圆周绕密封环轴线做单一转动时形成的曲面是回转面，然而，若与此同时，密封环相对于倾斜的圆周还做一个沿密封环轴线方向的直线运动，可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；或者与此同时，密封环相对于倾斜的圆周还做一个平行于密封端面的直线运动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。
[0013]进一步研宄还发现:虽然，当一圆周绕平行于密封端面的直线为轴线做单一的转动时生成的曲面是侧立的，然而，若与此同时，密封环还绕密封环的轴线转动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；或者与此同时，密封环还做一个平行于密封端面的直线运动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面；或者与此同时，密封环还做一个以密封环轴线的平行线为轴线的转动，也可以在密封环上生成从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的曲面。
[0014]显然，无论从数学的角度还是从机械加工的角度来说，都可以在由两个基本运动构成的复合运动基础上进一步增加一个直线运动或转动来构成更复杂的复合运动，即由三个基本运动构成的复合运动。进而，还可以在由三个基本运动构成的复合运动基础上，再增加一个或多个基本运动来构成更复杂的复合运动，即由四个基本运动构成的复合运动或者更多基本运动构成的复合运动。
[0015]另外从便于实现角度考虑，可对复合运动加以简化，即将复合运动中的两个基本运动耦合成由一个导向机构来执行的简单运动，以便降低运动轴的数量和降低机床运动的复杂性。例如，将一个平行于密封端面的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动耦合为一个与密封端面倾斜的直线运动，例如将两个平行于密封端面的直线运动耦合为一个平面曲线运动，例如将一个绕密封环轴线的平行线为轴的转动和一个垂直于密封端面的直线运动親合为一个螺旋运动。
[0016]本发明采用如下技术方案来实现:
一种浅槽机械密封，包括静环和动环，在动环的密封端面上，或者在静环的密封端面上，或者同时在这两个密封端面上，开设浅槽，密封端面外径侧为高压测，即上游侧，内径侧为低压测，即下游侧，工作时，两个环的密封端面近乎贴合，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。该浅槽机械密封的特征是: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，所述的曲面槽具有从上游侧向下游侧逐渐变浅和变窄的三维收敛形状。
[0017]所述的运动规律是倾斜于密封端面的圆周做平行于密封端面的直线运动，
或者是密封环相对于倾斜的圆周做以与密封环轴线平行的直线为轴线的转动，
或者是倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动，
或者是倾斜于密封端面的圆周做以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动，
或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个与密封端面略微倾斜的直线运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，
或者是倾斜于密封端面的圆周做与密封端面略微倾斜的直线运动和一个垂直于密封端面的直线运动构成的复合运动，
或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平行线为轴线的螺旋运动和一个绕密封环轴线的转动构成的复合运动，
或者是倾斜于密封端面的圆周做由一个以密封环轴线的平