一种转子发动机的端面润滑密封结构的制作方法

1.本发明涉及一种中小型转子发动机的端面润滑密封结构，属于小型转子发动机技术领域。


背景技术：

2.在小型化机电行业，如小型汽车增程器、小型无人机、军用单兵作战系统、小型机器人等领域，目前主要靠电池为这些设备提供动力源。由于电池的能量密度低，使用寿命短等缺点，逐渐无法满足需求，即使是目前较为先进的锂离子电池，其能量密度也远低于内燃机，仅为内燃机的1/20左右。所以，如何为这些小型设备提供高能量密度、高可靠性和长寿命的小型动力装置成为日益凸显的问题。
3.发展小型内燃机将是解决该问题的有效途径之一。转子发动机由于具有功重比高、运转平稳和结构简单等特点，在小型无人机领域具有广泛的应用前景。由于转子发动机小型化受空间的限制，设计时会减少部分零件，比如端面密封条会被取消，直接将转子与气缸盖装配在一起，靠两者的配合公差实现密封。为了防止转子发动机工作时，转子受热膨胀后被卡死而不能正常运转，一般会增大转子与气缸盖的配合公差，如此必将增加端面的漏气面积，从而导致转子发动机的效率下降，甚至不能稳定运转等问题。在转子发动机的小型化过程中，该类问题越来越严重，为了解决该问题，如何设计转子端面润滑及密封显得尤为重要。
4.小型转子发动机的摩擦损失功率主要是由转子端面、径向密封片和轴承的摩擦损失功率组成。其中转子端面引起的摩擦损失功率最大，占整机摩擦损失功率的60％左右，微凸起和油膜引起的摩擦损失功率是影响转子端面摩擦损失功率的决定性因素。在恶劣的工作环境下，传统的润滑方式面临巨大的挑战。如何在转子端面进行特定的表面结构设计，将润滑油精确的集中定位于转子端面与气缸盖端面的接触区域，从而达到持久的润滑，以满足工况的润滑要求，是目前面临的一个挑战。
5.机械密封是流体动密封中常见的形式，主要应用在高压、高转速条件下，是旋转设备防止泄露的重要部件。利用流体动压效应可以提高机械密封承载能力，减小摩擦、磨损和泄露，提高密封可靠性并延长密封寿命。磁流体润滑与密封是磁流体的主要应用领域之一，磁流体润滑就是用磁流体代替传统的润滑油对摩擦副进行润滑，依靠外部磁场改善摩擦性能、延长摩擦副的使用寿命。磁流体在外加磁场的作用下，能准确的充满润滑表面实现连续定域润滑，同时能抵消重力与离心力的作用，不易泄露，且不受外部介质污染。磁流体中的磁性固体颗粒大小为纳米级，远低于表面粗糙度，其造成的摩擦损耗极小。磁流体润滑能形成良好的全膜润滑，产生的摩擦力比传统润滑要小，承载能力和抗磨损能力大大提高。同时，磁流体润滑具有高可靠性、少污染和低摩擦损耗等优点。
6.硅藻是一类微小的单细胞藻类，具有由无定型氧化硅组成的坚硬细胞壁，在自然界中分布极其广泛。硅藻细胞壁精致的多级孔状结构，使其具有极高的抗拉性能和弹性韧性，能够承受压强的数量级在106pa。硅藻的多级孔结构因硅藻的种类有所差异，但是大多
数近似于圆形、椭圆形、半球形和六边形。一般硅藻细胞壁最外表是微米级别的大孔(第一级孔)，大孔中又嵌套尺寸相对较小的孔(第二级孔)，有的硅藻第二级孔中又嵌套有尺寸更小的微纳米级别的更小的孔(第三级孔)，如图1所示。传统的表面织构几何形状一般是单一的，而仿生硅藻表面孔洞织构是多级复合嵌套的，即在大孔中嵌套小孔，研究表明此结构具有良好的摩擦学性能。


技术实现要素：

7.本发明目的是提供一种转子发动机的端面润滑密封结构，保证小型转子发动机端面良好的润滑和密封性能，减小转子端面和气缸盖端面的磨损，进而延长小型转子发动机的使用寿命，此外，通过调节外磁场控制磁流体润滑剂的粘度，从而改变润滑膜的动压特性，调节转子端面和气缸盖端面的承载性能和密封润滑性能。
8.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
9.本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，润滑密封对象为转子发动机的端面。所述一种转子发动机的端面润滑密封结构包括位于转子主体端面上的端面织构结构、磁流体润滑剂。所述磁流体润滑剂主要由基液、磁性固体颗粒、表面活性剂组成。所述端面织构结构为具有三级孔形状的微造型仿生硅藻织构，且在端面织构结构内置均匀排列的用于与磁流体润滑剂形成磁力的磁性表面织构。端面织构结构内填充磁流体润滑剂。微造型仿生硅藻织构作为储油槽，为转子端面和气缸盖端面接触区域提供磁流体润滑油。
10.转子在发动机气缸内高速旋转时，微造型仿生硅藻织构作为储油槽和磨粒的储屑槽，所述储油槽作用为：为转子端面和气缸盖端面接触区域提供润滑油，保证转子端面与气缸盖端面之间的正常润滑，避免因乏油而润滑失效，还能够有效减少因启动和停止而形成的干摩擦磨损和混合摩擦磨损，改善两者间的润滑和密封性能；所述储屑槽能够减小磨损，延长使用寿命。端面织构结构内置的磁性表面织构与磁流体润滑剂形成磁场，利用磁场将磁流体润滑剂控制在摩擦副之间，利用磁流体润滑剂的动压效应消除接触间隙，提升润滑密封性能；通过调节外磁场使磁流体润滑剂控制在所需的位置，调节控制磁流体润滑剂与转子端面之间的吸附力和支撑力，保持接触区域良好的润滑密封状态，减小摩擦副的磨损。磁流体润滑剂作为转子端面和气缸盖端面之间的润滑密封介质，通过调节外磁场控制磁流体润滑剂的粘度，从而改变磁流体润滑膜的动压特性，调节转子端面和气缸盖端面之间的承载性能和润滑密封性能。
11.在端面织构结构内置的磁性表面织构与磁流体润滑剂形成磁场的作用下，磁性固体颗粒受到磁性表面织构吸引而吸附在摩擦副表面；磁流体润滑剂被定位保持在摩擦副接触表面并产生支撑力，该支撑力与两表面滑动速度无关；即使当转子处于静止状态时，磁流体润滑剂也会产生支撑力，进而在摩擦副表面形成稳定吸附保护膜，保证转子端面和气缸盖端面紧密贴合，不发生泄露，起到自密封的效果；当转子发动机转动时，由于离心力的作用，磁流体润滑剂将充满转子端面和气缸盖端面的接触区域，磁流体润滑剂的润滑方式有效提高转子发动机的润滑密封性能及其承载性能。
12.为节省因磁流体润滑剂需要合适磁场强度而布置永磁体的附加空间，作为优选，所述磁性表面织构为磁性薄膜，所述磁性薄膜为在端面织构结构中沉积厚度为几微米厚度的永磁材料层。材料为钕铁硼永磁材料或钐钴永磁材料。
13.作为优选，通过调节所述磁性表面织构能够改变磁场强度，磁流体润滑剂的粘度会随磁场强度的变化而变化；磁流体润滑剂粘度的变化范围广，因此磁流体润滑剂油膜压力的调节范围广，适应能力强；通过安装不同磁场强度大小的永磁铁，或者加工不同厚度的磁性薄膜，改变摩擦区域的磁场强度大小，即改变磁流体润滑剂的粘度和吸附强度，以满足相应的工况要求。
14.为了进一步增强楔形效果，产生流体动压润滑效果，从而提高表面的承载能力，作为优选，所述端面织构结构为具有三级孔形状的微造型仿生圆筛藻织构。圆筛藻的壳壁由三层孔形状微造型构成，孔形状基本为圆柱状或不规则圆柱状，半径大小不一。相较于单级孔形状微造型织构，三级孔形状微造型织构由于具有两级阶梯孔，使得固体表面间形成两个楔形间隙，当两固体表面发生相对运动时，会发生两次动压润滑效应，所以三级孔形状微造型织构比单级孔形状微造型织构的润滑性能更好。
15.作为优选，硅藻的三级孔形状微造型结构会产生二次动压润滑作用，即产生阶梯效应，从而能够降低应力；随着孔洞数量和孔洞嵌套级别的增加，孔洞的阶梯效应更加明显；通过在转子端面设计加工仿生硅藻三级孔形状微造型织构，利用微造型织构储油进行润滑补油，成为提高转子端面和气缸盖端面润滑密封性能的手段之一。
16.为了满足转子端面结构的润滑密封效果和力学性能的相关要求，作为进一步优选，所述端面织构结构为三层圆柱状，端面织构结构的深度尺寸分别为4μm、3μm、3μm；三层圆柱的直径尺寸根据实际转子端面的尺寸进行确定。
17.所述端面织构结构在转子两端面分布一致；所述端面织构结构的加工方式包括精密雕刻方式、纳秒激光加工方式、飞秒激光加工方式、超声冲压加工方式、反应离子刻蚀方式。
18.为了提高转子端面磁流体润滑剂的润滑密封效果，所述磁流体润滑剂主要由基液、磁性固体颗粒、表面活性剂组成。所述基液主要包括水、油、有机溶剂。所述磁性固体颗粒主要包括fe3o4、fe2o3、ni、co。所述表面活性剂主要包括油酸，防止磁性固体颗粒之间发生团聚作用。作为优选，所述基液选择油，所述磁性固体颗粒选择fe3o4，fe3o4的颗粒直径为10nm，体积分数为10％，所述表面活性剂选择油酸。
19.作为优选，所述端面织构结构在转子端面每段型线处至少是单列排布，沿着转子型线均匀分布，所述端面织构结构的中心是转子端面边缘型线向转子中心偏移一定距离得到的；偏移距离要保证转子端面织构结构的边缘与转子端面型线边缘的距离大于或等于端面织构结构宽度的1/3，保证该距离是为了更好的形成磁流体润滑油膜。
20.作为优选，所述转子主体中心开有偏心轴安装孔，安装孔到端面织构结构之间设有减重结构，减重结构布置必须保证转子三条型线方向上分布均匀，以此保证转子自身旋转平衡。所述转子主体的三个顶端开有凹槽，用于安装径向密封片；所述转子主体的型线由三段相同弧线组成，理论型线生成公式如下：
[0021][0022]
其中，r为型线半径，e为转子发动机的偏心距，θ为偏心轴转角。
[0023]
有益效果：
[0024]
1、本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，转子发动机在连续工作时润滑油温度升高，导致润滑油粘度降低，使得承载油膜变薄甚至发生破裂；当采用传统的掺混润滑时，转子端面与气缸盖端面之间无润滑油作用，两者之间将会相互挤压发生磨损，导致输出功率降低。端面织构结构和磁流体润滑剂的出现为解决极端环境下的润滑密封问题提供了可能，转子端面与气缸盖端面的工作条件需要特殊的表面结构和润滑介质才能保持持久可靠运转。表面织构和磁流体润滑已经被证实是改善润滑密封及摩擦性能的重要手段。
[0025]
2、本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，转子在发动机气缸内高速旋转时，微造型仿生硅藻织构作为储油槽和磨粒的储屑槽，所述储油槽作用为：为转子端面和气缸盖端面接触区域提供润滑油，保证转子端面与气缸盖端面之间的正常润滑，避免因乏油而润滑失效，还能够有效减少因启动和停止而形成的干摩擦磨损和混合摩擦磨损，改善两者间的润滑和密封性能；所述储屑槽能够减小磨损，延长使用寿命。
[0026]
3、本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，端面织构结构内置的磁性表面织构与磁流体润滑剂形成磁场，利用磁场将磁流体润滑剂控制在摩擦副之间，利用磁流体润滑剂的动压效应消除接触间隙，提升润滑密封性能；为节省因磁流体润滑剂需要合适磁场强度而布置永磁体的附加空间，磁性表面织构为磁性薄膜，磁性薄膜为在端面织构结构中沉积厚度为几微米厚度的永磁材料层；通过调节外磁场使磁流体润滑剂控制在所需的位置，调节控制磁流体润滑剂与转子端面之间的吸附力和支撑力，保持接触区域良好的润滑密封状态，减小摩擦副的磨损。磁流体润滑剂作为转子端面和气缸盖端面之间的润滑密封介质，通过调节外磁场控制磁流体润滑剂的粘度，从而改变磁流体润滑剂油膜的动压特性，调节转子端面和气缸盖端面之间的承载性能和润滑密封性能。
[0027]
4、本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，在端面织构结构内置的磁性表面织构与磁流体润滑剂形成磁场的作用下，磁性固体颗粒受到磁性表面织构吸引而吸附在转子端面和气缸盖端面的接触区域；磁流体润滑剂被定位保持在转子端面和气缸盖端面的接触区域并产生支撑力，该支撑力与两表面滑动速度无关；即使当转子处于静止状态时，磁流体润滑剂也会产生支撑力，进而在摩擦副表面形成稳定吸附保护膜，保证转子端面和气缸盖端面紧密贴合，不发生泄露，起到自密封的效果；当转子发动机转动时，由于离心力的作用，磁流体润滑剂将充满密封接触端面，磁流体润滑剂的润滑方式有效提高转子发动机的润滑密封性能及其承载性能。
[0028]
5、本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，端面织构结构为转子端面和气缸盖端面提供良好的润滑密封性能；单级孔结构，孔形状单一且只能产生一次动压效应，使得单级孔形状微造型织构的润滑密封性能不够突出；相较于单级孔形状微造型织构，三级孔形状微造型织构由于具有两级阶梯孔，使得固体表面间形成两个楔形间隙，当两固体表面发生相对运动时，会发生两次动压润滑效应，所以三级孔形状微造型织构比单级孔形状微造型织构的润滑性能更好。
[0029]
6、本发明公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，仿生硅藻三级孔形状微造型织构内的磁流体润滑剂具有一定的缓冲吸振作用，从而减少噪声；同时在出油口处放置永磁体可以加快磁流体的流动，从而加快转子发动机散热，提高发动机的热效率。
附图说明
[0030]
图1为圆筛藻三级孔的结构示意图。
[0031]
图2为转子主体及其端面织构的结构示意图。
[0032]
其中：1—转子主体；2—端面织构结构；
[0033]
图3为图2中i处端面织构的局部放大示意图。
[0034]
图4为磁流体润滑剂的组成成分示意图。
[0035]
其中：3.1—基液；3.2—磁性固体颗粒；3.3—表面活性剂；
[0036]
图5为转子端面仿生硅藻三级孔形状微造型结构示意图。
[0037]
其中：图5(a)为y方向视图；图5(b)为y方向视图；4—磁性薄膜；
[0038]
图6为转子端面仿生硅藻单级孔形状微造型结构示意图。
[0039]
其中：图6(a)为y方向视图；图6(b)y方向视图；4—磁性薄膜；
[0040]
图7为转子端面仿生硅藻三级孔形状微造型结构和单级孔形状微造型结构的压力分布示意图。
[0041]
图8为转子端面仿生硅藻三级孔形状微造型结构和单级孔形状微造型结构的膜厚分布示意图。
具体实施方式
[0042]
现在结合附图对本发明进行进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构及其工作方式，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0043]
如图2所示，本实施例公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构，包括转子主体1端面上的端面织构结构2、磁流体润滑剂3。其特征在于：转子主体1在发动机气缸内高速旋转时，端面织构结构2能储存少量润滑油，从而在转子端面和气缸盖端面之间形成润滑油膜，改善两者间的润滑和密封性能；所述端面织构结构2在转子主体1两端面分布一致；所述端面织构2的结构加工方式包括精密雕刻方式、纳秒激光加工方式、飞秒激光加工方式、超声冲压加工方式、反应离子刻蚀方式。
[0044]
如图3所示，所述端面织构结构2在转子端面每段型线处至少是单列排布，沿着转子主体1型线均匀分布，且其中心所沿弧线是转子1边缘型线向转子中心偏移一定距离得到的；偏移距离要保证转子端面织构结构2的边缘与转子端面型线边缘的距离大于或等于端面织构结构2宽度d3的1/3，保证该距离是为了更好的形成磁流体润滑油膜。
[0045]
如图4所示，所述磁流体润滑剂主要由基液3.1、磁性固体颗粒3.2、表面活性剂3.3组成，所述基液3.1选择油，所述磁性固体颗粒3.2选择fe3o4，fe3o4的颗粒直径为10nm，体积分数为10％，所述表面活性剂3.3选择油酸。
[0046]
如图5所示，所述端面织构结构为仿生硅藻三级孔形状微造型结构，端面织构结构的深度尺寸h1、h2和h3分别为4μm、3μm、3μm；三层圆柱的直径尺寸d1、d2和d3根据实际转子端面的尺寸进行确定；所述4为磁性表面织构的磁性薄膜，在端面织构结构2中沉积厚度为几微米厚度的永磁材料层，节省因磁流体润滑需要合适磁场强度而布置永磁体的附加空间，材料为钕铁硼永磁材料或钐钴永磁材料；所述在端面织构结构2内填充磁流体润滑剂3，在磁性薄膜4产生磁场力的作用下，磁性固体颗粒3.2受到磁性表面织构吸引而吸附在转子端面和气缸盖端面的接触区域，磁流体润滑剂被定位保持在转子端面和气缸盖端面的接触区
域并产生支撑，且磁流体润滑剂不会出现分层和沉淀的现象；通过安装不同磁场强度大小的永磁铁，或者加工不同厚度的磁性薄膜，改变转子端面和气缸盖端面接触区域的磁场强度大小，即改变磁流体润滑剂的粘度和吸附强度，以满足相应的工况要求。
[0047]
如图6所示，所述端面织构结构2为仿生硅藻单级孔形状微造型结构，d4＝d3，h4＝h3；设置端面单层微织构结构，与图5中的端面仿生硅藻三级孔形状微造型织构进行对比，分析两种不同端面织构结构的润滑密封效果。
[0048]
如图2所示，所述转子主体1中心开有偏心轴安装孔，安装孔到端面织构结构2之间设有减重结构，减重结构布置必须保证转子三条型线方向上分布均匀，以此保证转子自身旋转平衡。所述转子主体的三个顶端开有凹槽，用于安装径向密封片；所述转子主体1的型线由三段相同弧线组成，理论型线生成公式如下：
[0049][0050]
其中，r为型线半径，e为转子发动机的偏心距，θ为偏心轴转角。
[0051]
磁流体已经成功应用于旋转密封件的空间轴承润滑等领域，在转子发动机的工作环境下应用前景十分广阔。本发明专利结构简单，使用方便，通过磁性表面织构的磁性薄膜4产生的磁场力进行调控，将磁流体润滑剂吸附于端面织构结构2中，准确控制于转子端面与气缸盖端面的定域范围内，实现磁控智能定域润滑，以解决转子端面润滑密封不良的问题，延长发动机的使用寿命。
[0052]
在考虑热和非牛顿流体的雷诺方程的基础上，建立无限长线接触数学模型，对润滑方程进行离散化和无量纲化，然后采取多重网格法对转子端面与气缸盖端面进行润滑分析。探讨仿生硅藻织构和磁流体润滑剂对润滑膜的膜厚和压力的影响。图7和图8是仿生硅藻三级孔形状微造型结构和单级孔形状微造型结构的油膜压力和油膜厚度分布图。通过对图7和图8不同织构类型的磁流体润滑剂油膜压力和油膜厚度分布进行对比可以看出，仿生硅藻三级孔形状微造型表面织构结构的磁流体润滑剂的油膜厚度更大，油膜压力更小，润滑效果更好。
[0053]
本实施例公开的一种转子发动机的端面润滑密封结构的工作方法：
[0054]
转子在发动机气缸内高速旋转时，转子端面与气缸盖端面存在摩擦接触，导致润滑密封性能较差。在转子端面加工仿生硅藻三级孔形状的微造型织构结构，微造型仿生硅藻织构结构作为储油槽和磨粒的储屑槽，端面织构结构2内置的磁性表面织构与磁流体润滑剂形成磁场，利用磁场将磁流体润滑剂控制在转子端面与气缸盖端面的接触区域之间，利用磁流体润滑剂的动压效应消除接触间隙，提升润滑密封性能。在端面织构结构2内置的磁性表面织构与磁流体润滑剂形成磁场的作用下，磁性固体颗粒3.2受到磁性表面织构吸引而吸附在转子端面与气缸盖端面的接触区域之间，磁流体润滑剂被定位保持在转子端面与气缸盖端面的接触区域之间并产生支撑力。为节省因磁流体润滑剂需要合适磁场强度而布置永磁体的附加空间，磁性表面织构为磁性薄膜，磁性薄膜为在端面织构结构中沉积厚度为几微米厚度的永磁材料层。通过调节外磁场使磁流体润滑剂控制在转子端面和气缸盖端面之间的接触区域，调节控制磁流体润滑剂与转子端面之间的吸附力和支撑力，保持接
触区域良好的润滑密封状态，减小接触区域的磨损。磁流体润滑剂作为转子端面和气缸盖端面之间的润滑密封介质，通过调节外磁场控制磁流体润滑剂的粘度，从而改变磁流体润滑剂油膜的动压特性，调节转子端面和气缸盖端面之间的承载性能和润滑密封性能。
[0055]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术装置和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。