机械密封及其加工方法、密封端面变形程度的调节方法

1.本发明涉及机械密封技术领域，特别是涉及一种机械密封及其加工方法、密封端面变形程度的调节方法。


背景技术：

2.机械密封是一种端面动密封装置，其需要在维持低泄漏或无泄漏的同时，降低或消除摩擦副的摩擦磨损以延长寿命。机械密封主要由一对密封环构成，其中一个随轴旋转的密封环称为动环，另外一个不随轴旋转的密封环称为静环。在运行时，动、静环之间会形成一流体薄膜，这种流体薄膜可以减少动、静环两密封端面之间的接触磨损。流体薄膜的厚度会影响动、静环两密封端面的接触状态，而动、静环两密封端面的间隙形状会影响流体薄膜的厚度。其中，动、静环两密封端面的间隙形状主要分为收敛间隙、发散间隙、平行间隙。正常工作状态下，动、静环两密封端面的间隙为收敛间隙，密封端面高压流体提供密封开启力，如果这种收敛的锥度变大，开启力会变大，平均流体薄膜厚度会增加，密封泄漏会增加；相反，收敛锥度变小，开启力变小，流体薄膜厚度减小，泄漏减少；若产生发散间隙或平行间隙，流体薄膜可能直接崩溃，导致动、静环两端面直接接触。因此，为了减少摩擦磨损，减小泄漏，有必要对密封环的变形程度进行调节，以保证动、静环两密封端面的间隙为较小锥度的收敛间隙。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种机械密封及其加工方法、密封端面变形程度的调节方法。
4.一种机械密封，所述机械密封包括：静环、动环及致动件；
5.所述静环和/或所述动环上设置有安装腔，所述致动件设置于所述安装腔内，用于使所述静环和/或所述动环内部轴向膨胀，进而调节所述静环和/或所述动环的密封端面变形程度。
6.在其中一个实施例中，所述致动件为压电元件。
7.可选地，压电元件为压电陶瓷。
8.在其中一个实施例中，所述致动件安装在所述静环上。
9.如此，将所述致动件设置在所述静环上，便于所述致动件的接线。
10.在其中一个实施例中，所述安装腔开设在所述静环的内径面或/和外径面上。如此设置，不仅便于所述安装腔的开设，也便于所述安装腔内致动件的接线。
11.可选地，所述机械密封还包括静环座及腔壳，所述静环座与所述腔壳固联，所述静环固联于所述静环座上；所述静环座上设置有接线孔，且所述静环座与所述静环之间设置有密封圈，所述密封圈不仅起到密封的作用，而且也用于将高压区域、低压区域隔开。
12.应用时，可以根据所需的所述动、静环两密封端面的间隙形状及间隙锥度，可以设置所述安装腔在所述静环上的具体安装位置，示例地，将所述安装腔安装在所述静环的外
径面上，所述压电元件拉伸能够控制所述动、静环两密封端面的间隙形状为发散变形；再示例地，将所述安装腔安装在所述静环的内径面上，所述压电元件拉伸能够控制所述动、静环两密封端面的间隙形状为收敛变形；再示例地，将所述安装腔安装在所述静环的内径面及外径面上，通过控制所述静环的内径面及外径面上的所述压电元件的拉伸力度，来控制所述动、静环两密封端面的间隙形状为收敛变形或发散变形。另外，关于开设在所述静环的内径面或/和外径面上的安装腔的数目，可以根据所需的所述动、静环两密封端面的间隙形状及间隙锥度进行设置，所述静环的内径面、外径面上可以分别设置1个、2个、3个或者更多的所述压电元件。
13.在其中一个实施例中，所述致动件为块状或环状。
14.应用时，考虑到安装方便程度，可根据所述安装腔的安装位置来设置所述致动件的形状，示例地，当所述安装腔开设在所述静环的外径面上时，所述致动件可以为块状或环状；再示例地，当所述安装腔开设在所述静环的内径面上时，所述致动件可以为块状。
15.在其中一个实施例中，所述致动件通过粘胶固定于所述安装腔内。如此设置，可以有效避免所述致动件的脱落，保证所述机械密封的正常运行。
16.在其中一个实施例中，所述粘胶为环氧树脂。该类粘胶，不仅便于获取，且价格低廉。
17.上述机械密封，致动件可以对静环和/或动环施力，使得静环和/或动环内部轴向膨胀，则静环和/或动环的密封端面便发生变形，从而可以对动、静环两密封端面的间隙形状进行调节，可将动、静环两密封端面的间隙控制为较小锥度的收敛间隙，可以有效减少摩擦磨损及减小泄漏。
18.一种如上述任一项所述的机械密封的加工方法，所述加工方法包括：
19.在所述机械密封的静环和/或动环上开设安装腔，然后将所述机械密封的致动件设置在所述安装腔内；
20.其中，所述致动件用于使所述静环和/或所述动环内部轴向膨胀，进而调节所述静环和/或所述动环的密封端面变形程度。
21.可选地，在将所述机械密封的致动件设置在所述安装腔内之前，所述加工方法还包括：对所述安装腔与所述致动件相配合的接触面进行磨削处理。如此可以保证所述安装腔与所述致动件的接触面的平面度、平行度及粗糙度，保证这两者之间的固联牢固度。
22.在其中一个实施例中，所述将所述机械密封的致动件设置在所述安装腔内之前，所述加工方法还包括：
23.加热所述静环和/或所述动环，以使所述安装腔膨胀。
24.如此设置，便于所述致动件的放入。
25.在其中一个实施例中，所述将所述机械密封的致动件设置在所述安装腔内，包括：采用粘胶将所述机械密封的致动件设置在所述安装腔内。
26.可选地，粘胶为环氧树脂。该类粘胶，不仅便于获取，且价格低廉。
27.上述通过加工方法制备的机械密封，致动件可以对静环和/或动环施力，使得静环和/或动环内部轴向膨胀，则静环和/或动环的密封端面便发生变形，从而可以对动、静环两密封端面的间隙形状进行调节，可将动、静环两密封端面的间隙控制为较小锥度的收敛间隙，可以有效减少摩擦磨损及减小泄漏。
28.一种如上述任一项所述的机械密封的密封端面变形程度的调节方法，所述调节方法包括：
29.利用致动件使所述静环和/或所述动环内部轴向膨胀，从而调节所述静环和/或所述动环的密封端面的变形程度。
30.上述机械密封的密封端面变形程度的调节方法，致动件可以对静环和/或动环施力，使得静环和/或动环内部轴向膨胀，则静环和/或动环的密封端面便发生变形，从而可以对动、静环两密封端面的间隙形状进行调节，可将动、静环两密封端面的间隙控制为较小锥度的收敛间隙，可以有效减少摩擦磨损及减小泄漏。
附图说明
31.图1为本发明一实施例提供的动、静环两密封端面的间隙形状的示意图；
32.图2为本发明一实施例提供的致动件安装在静环内部的机械密封的局部结构示意图；
33.图3为本发明另一实施例提供的致动件安装在静环外径面的机械密封的局部结构示意图；
34.图4为本发明另一实施例提供的致动件安装在静环内径面的机械密封的局部结构示意图；
35.图5为本发明另一实施例提供的致动件安装在静环内、外径面的机械密封的局部结构示意图。
36.其中，附图中的标号说明如下：
37.100、静环；200、动环；300、致动件；400、腔壳；500、静环座；600、密封圈。
具体实施方式
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
43.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
44.机械密封是一种端面动密封装置，其需要在维持低泄漏或无泄漏的同时，降低或消除摩擦副的摩擦磨损以延长寿命。机械密封主要由一对密封环构成，其中一个随轴旋转的密封环称为动环200，另外一个不随轴旋转的密封环称为静环100。在运行时，动、静环100之间会形成一流体薄膜，这种流体薄膜可以减少动、静环100两密封端面之间的接触磨损。流体薄膜的厚度会影响动、静环100两密封端面的接触状态，而动、静环100两密封端面的间隙形状会影响流体薄膜的厚度。其中，如图1所示，动、静环100两密封端面的间隙形状主要分为收敛间隙、发散间隙、平行间隙。正常工作状态下，动、静环100两密封端面的间隙为收敛间隙，密封端面高压流体提供密封开启力，如果这种收敛的锥度变大，开启力会变大，平均流体薄膜厚度会增加，密封泄漏会增加；相反，收敛锥度变小，开启力变小，流体薄膜厚度减小，泄漏减少；若产生发散间隙或平行间隙，流体薄膜可能直接崩溃，导致动、静环100两端面直接接触。其中，图1中的箭头代表流体的泄漏方向。
45.对此，为了减少摩擦磨损，减小泄漏，本发明一实施例提供了一种机械密封，可对密封环的变形程度进行调节，以保证动、静环100两密封端面的间隙为较小锥度的收敛间隙。
46.如图2至图5所示，本发明实施例所提供的机械密封包括：静环100、动环200及致动件300；静环100和/或动环200上设置有安装腔，致动件300设置于安装腔内，用于使静环100和/或动环200内部轴向膨胀，进而调节静环100和/或动环200的密封端面变形程度。
47.本实施例所提供的机械密封，致动件300可以对静环100和/或动环200施力，使得静环100和/或动环200内部轴向膨胀，则静环100和/或动环200的密封端面便发生变形，从而可以对动、静环100两密封端面的间隙形状进行调节，可将动、静环100两密封端面的间隙控制为较小锥度的收敛间隙，可以有效减少摩擦磨损及减小泄漏。
48.在本发明的一些实施例中，致动件300为压电元件，例如压电陶瓷。该类致动件300易获取，且可有效使得静环100和/或动环200内部轴向膨胀。其中，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的陶瓷材料。在压电陶瓷上施加电压会产生与电压成比例的几何应变。根据电场方向和压电陶瓷极化方向的关系，压电陶瓷可以产生正应变或切应变。产生正应变时，如果限制压电陶瓷应变方向的位移，可以产生相应大小的力，产生的力大小与压电陶瓷弹性常数有关，整体满足变形协调关系。
49.进一步地，具体在本发明的一些实施例中，如图2至图5所示，致动件300安装在静环100上。将致动件300设置在静环100上，便于致动件300的接线。
50.可选地，安装腔开设在静环100的内径面或/和外径面上。需要说明的是，静环100的内圈称为内径面，外圈称为外径面。如此设置，不仅便于安装腔的开设，也便于安装腔内致动件300的接线。作为一种示例，如图2至图5所示，机械密封还包括静环座500及腔壳400，静环座500与腔壳400固联，静环100固联于静环座500上；静环座500上设置有接线孔，且静环座500与静环100之间设置有密封圈600，该密封圈600不仅起到密封的作用，而且也用于将高压区域、低压区域隔开。
51.应用时，可以根据所需的动、静环100两密封端面的间隙形状及间隙锥度，可以设置安装腔在静环100上的具体安装位置，示例地，如图3所示，将安装腔安装在静环100的外径面上，压电元件(即致动件300)拉伸能够控制动、静环100两密封端面的间隙形状为发散变形；再示例地，如图4所示，将安装腔安装在静环100的内径面上，压电元件拉伸能够控制动、静环100两密封端面的间隙形状为收敛变形；再示例地，如图5所示，将安装腔安装在静环100的内径面及外径面上，通过控制静环100的内径面及外径面上压电元件的拉伸力度，来控制动、静环100两密封端面的间隙形状为收敛变形或发散变形。另外，关于开设在静环100的内径面或/和外径面上的安装腔的数目，可以根据所需的动、静环100两密封端面的间隙形状及间隙锥度进行设置，静环100的内径面、外径面上可以分别设置1个、2个、3个或者更多的压电元件。其中，多个压电元件可沿周向均匀地或非均匀地设置在静环100的内径面或外径面上。
52.可选地，致动件300为块状或环状。应用时，考虑到安装方便程度，可根据安装腔的安装位置来设置致动件300的形状，示例地，如图3所示，当安装腔开设在静环100的外径面上时，致动件300可以为块状或环状；再示例地，如图3所示，当安装腔开设在静环100的内径面上时，致动件300可以为块状。
53.在本发明的一些实施例中，致动件300可通过粘胶固定于安装腔内。该种安装方式，可以有效避免致动件300的脱落，保证机械密封的正常运行。需要说明的是，当致动件300为压电元件时，粘胶应为绝缘材质。可选地，粘胶为环氧树脂。该类粘胶，不仅便于获取，且价格低廉。在将致动件300安装于装腔内之前，可以先对静环100或动环200进行加热，使安装腔发生膨胀；然后将致动件300的表面(例如上、下表面)涂抹适量的环氧树脂，保证环氧树脂能够充满安装腔经致动件300装配后的所有空隙；待装入致动件300之后，去除余胶。
54.本发明另一实施例提供了一种如上述所述的机械密封的加工方法，该加工方法包括：
55.在机械密封的静环100和/或动环200上开设安装腔，然后将机械密封的致动件300设置在安装腔内；其中，致动件300用于使静环100和/或动环200内部轴向膨胀，进而调节静环100和/或动环200的密封端面变形程度。
56.作为一种示例，致动件300为压电元件，例如压电陶瓷。该类致动件300易获取，且可有效使得静环100和/或动环200内部轴向膨胀。其中，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的陶瓷材料。在压电陶瓷上施加电压会产生与电压成比例的几何应变。根据电场方向和压电陶瓷极化方向的关系，压电陶瓷可以产生正应变或切应变。产生正应变时，如果限制压电陶瓷应变方向的位移，可以产生相应大小的力，产生的力大小与压电陶瓷弹性
常数有关，整体满足变形协调关系。
57.作为一种示例，如图2至图5所示，致动件300安装在静环100上。将致动件300设置在静环100上，便于致动件300的接线。其中，可以将安装腔开设在静环100的内径面或/和外径面上。需要说明的是，静环100的内圈称为内径面，外圈称为外径面。如此设置，不仅便于安装腔的开设，也便于安装腔内致动件300的接线。作为一种示例，如图2及图3所示，机械密封还包括静环座500及腔壳400，静环座500与腔壳400固联，静环100固联于静环座500上；静环座500上设置有接线孔，且静环座500与静环100之间设置有密封圈600，该密封圈600用于将高压区域、低压区域隔开。
58.应用时，可以根据所需的动、静环100两密封端面的间隙形状及间隙锥度，可以设置安装腔在静环100上的具体安装位置，示例地，如图3所示，将安装腔安装在静环100的外径面上，压电元件(即致动件300)拉伸能够控制动、静环100两密封端面的间隙形状为发散变形；再示例地，如图4所示，将安装腔安装在静环100的内径面上，压电元件拉伸能够控制动、静环100两密封端面的间隙形状为收敛变形；再示例地，如图5所示，将安装腔安装在静环100的内径面及外径面上，通过控制静环100的内径面及外径面上压电元件的拉伸力度，来控制动、静环100两密封端面的间隙形状为收敛变形或发散变形。另外，关于开设在静环100的内径面或/和外径面上的安装腔的数目，可以根据所需的动、静环100两密封端面的间隙形状及间隙锥度进行设置，静环100的内径面、外径面上可以分别设置1个、2个、3个或者更多的压电元件。
59.作为一种示例，致动件300为块状或环状。应用时，考虑到安装方便程度，可根据安装腔的安装位置来设置致动件300的形状，示例地，如图3所示，当安装腔开设在静环100的外径面上时，致动件300可以为块状或环状；再示例地，如图4所示，当安装腔开设在静环100的内径面上时，致动件300可以为块状。
60.经上述加工方法所加工的机械密封，机械密封致动件300可以对静环100和/或动环200施力，使得静环100和/或动环200内部轴向膨胀，则静环100和/或动环200的密封端面便发生变形，从而可以对动、静环100两密封端面的间隙形状进行调节，可将动、静环100两密封端面的间隙控制为较小锥度的收敛间隙，可以有效减少摩擦磨损及减小泄漏。
61.在本发明的一些实施例中，在将机械密封的致动件300设置在安装腔内之前，该加工方法还包括：对安装腔与致动件300相配合的接触面进行磨削处理。如此可以保证安装腔与致动件300的接触面的平面度、平行度及粗糙度，保证这两者之间的固联牢固度。
62.在本发明的一些实施例中，将机械密封的致动件300设置在安装腔内之前，该加工方法还包括：加热静环100和/或动环200，以使安装腔膨胀。如此，便于致动件300的放入。
63.在本发明的一些实施例中，可采用粘胶将机械密封的致动件300设置在安装腔内。需要说明的是，当致动件300为压电元件时，粘胶应为绝缘材质。可选地，粘胶为环氧树脂。该类粘胶，不仅便于获取，且价格低廉。将致动件300的表面(例如上、下表面)涂抹适量的环氧树脂，保证环氧树脂能够充满安装腔经致动件300装配后的所有空隙；待装入致动件300之后，去除余胶。
64.本发明另一实施例提供了一种如上述任一项所述的机械密封的密封端面变形程度的调节方法，该调节方法包括：利用致动件300使静环100和/或动环200内部轴向膨胀，从而调节静环100和/或动环200的密封端面的变形程度。
65.如上所述的机械密封的密封端面变形程度的调节方法，可以利用致动件300对静环100和/或动环200施力，使得静环100和/或动环200内部轴向膨胀，则静环100和/或动环200的密封端面便发生变形，从而可以对动、静环100两密封端面的间隙形状进行调节，可将动、静环100两密封端面的间隙控制为较小锥度的收敛间隙，可以有效减少摩擦磨损及减小泄漏。
66.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
67.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。