CN112424514B - 滑动部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够从低速旋转就发挥抽吸作用，并且能够发挥密封功能及润滑功能的滑动部件。所述滑动部件为通过滑动面(S)彼此相对滑动的一对滑动部件(3、5)，至少其中一个滑动部件的滑动面(S)具备动压产生机构(11)，动压产生机构(11)的曲率设定为与该动压产生机构(11)的流路长度成正比增大。

Description

滑动部件
技术领域
本发明涉及一种例如适于机械密封件、轴承、其他滑动部的滑动部件。尤其，涉及一种需要在滑动面减少摩擦，并且防止流体从滑动面泄漏的密封环或轴承等滑动部件。
背景技术
在作为滑动部件的一例的机械密封件中，为了长期维持密封性，有兼顾“密封”和“润滑”这样的相反的条件的技术。例如，已知有如下技术：在彼此相对滑动的一对滑动部件中，在滑动组件的滑动面设置螺旋槽，利用该螺旋槽的抽吸作用，使欲向低压流体侧泄漏的被密封流体返回到被密封流体侧，由此提高滑动面的密封功能(例如，参考专利文献1)。
以往技术文献
专利文献
专利文献1:日本实开昭61-82177号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
但是，上述技术中，除非成为一定的转速以上，否则不发挥螺旋槽的抽吸作用，因此在低速旋转的设备中，即使在滑动面设置螺旋槽，也无法获得充分的密封效果。
本发明的目的在于提供一种能够从低速旋转就发挥抽吸作用，并且能够发挥密封功能及润滑功能的滑动部件。
用于解决技术课题的手段
为了解决所述课题，本发明的滑动部件是一种通过滑动面彼此相对滑动的一对滑动部件，其特征在于，
至少其中一个滑动部件的滑动面具备动压产生机构，所述动压产生机构的曲率根据自该动压产生机构的入口开口部的流路长度而增加。
根据该特征，关于动压产生机构的形状，动压产生机构的入口开口部的曲率小(曲率半径大)，曲率与自动压产生机构的入口开口部的流路长度成正比增大(曲率半径小)。由此，能够减小流体流入动压产生机构的角度与动压产生机构的入口开口部的角度之差。并且，动压产生机构内的流体的旋转方向速度随着流向流路下游侧而高效地转换为半径方向速度。由此，能够减小流体流入动压产生机构的入口开口部时的流入损失，并且从低速旋转时就产生抽吸作用。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述滑动面的内周缘与所述动压产生机构的入口开口部所成的角度设定为0°至45°。
根据该特征，通过将滑动面S的内周缘5b与动压产生机构的入口开口部所成的角度θ1设为0°≤θ1≤45°，能够使流体流入动压产生机构时的流入损失极小。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述流路的形状由以下的式表示。
P＝P0+h∫0 SejφdS (式1)
υ＝φ0+φvS+υuS2 (式2)
S＝s/h(0＜S＜1) (式3)
其中，P为所述动压产生机构上的点的位置矢量，P0为所述动压产生机构的所述入口开口部的位置矢量，s为从P0至P为止的流路长度，h为所述动压产生机构的流路的全长，S为用h将s归一化后的值，
Figure BDA0002896103200000022
为P上的切线方位角，
Figure BDA0002896103200000023
为虚数单位，
Figure BDA0002896103200000024
为P0上的切线方位角，
Figure BDA0002896103200000025
为在具有
Figure BDA0002896103200000026
的长度h的圆弧中h中的相对于
Figure BDA0002896103200000027
的切线角的增量，
Figure BDA0002896103200000028
为h中的相对于
Figure BDA0002896103200000029
的切线角的增量。
根据该特征，通过上述式能够轻松地减小流体流入动压产生机构的入口开口部时的流入损失，并且从低速旋转时就能够产生抽吸作用。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述流路的一端与泄露侧连通并且另一端被台面部包围。
根据该特征，动压产生机构从低速时就发挥抽吸作用，因此即使在低速时未充分产生基于动压产生机构的动压时，流入动压产生机构的流体也能够通过楔形效果产生正压，因此从低速旋转时就能够将滑动面保持为流体润滑状态。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述流路由槽部构成。
根据该特征，能够通过槽部轻松地构成动压产生机构。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述流路为由凹穴组构成的模拟流路，所述凹穴组由多个凹穴构成。
根据该特征，能够通过凹穴组轻松地构成动压产生机构。
附图说明
图1是表示具备本发明的滑动部件的机械密封件的一例的纵剖视图。
图2是以图1的W-W向视表示滑动部件的滑动面的图。
图3是说明本发明的动压产生机构与以往的螺旋形状的动压产生机构的不同的图。
具体实施方式
以下，参考附图，根据实施例对本发明的实施方式进行例示性说明。其中，关于该实施例中记载的构成组件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，除非有特别明示的记载，则并不表示将本发明的范围限定于此。
参考图1～图3，关于本发明所涉及的滑动部件，对作为滑动部件的一例的机械密封件进行说明。实施例1中，将构成机械密封件的滑动部件的外周侧作为被密封流体侧且将内周侧作为泄露侧来进行说明。
图1的机械密封件1具备能够与安装于旋转轴9侧的套筒2一体旋转的旋转侧密封环3、作为以能够相对于外壳4轴向移动且无法旋转的状态设置的另一个滑动组件的圆环状的固定侧密封环5、沿轴向对固定侧密封环5施力的螺旋波浪形弹簧6及密封固定侧密封环5的波纹管7，通过被镜面加工的滑动面S彼此密接滑动。
该机械密封件1中，旋转侧密封环3及固定侧密封环5沿半径方向形成的滑动面S，在彼此的滑动面S中，防止被密封流体从滑动面S的外周侧向内周侧的泄露侧流出。
另外，图1中示出了旋转侧密封环3的滑动面的宽度比固定侧密封环5的滑动面的宽度宽的情况，但并不限定于此，在相反的情况下也能够适用本发明是理所当然的。
旋转侧密封环3及固定侧密封环5的材质选自耐磨性优异的碳化硅(SiC)及自润滑性优异的碳等，例如能够设为两者为SiC或者旋转侧密封环3为SiC且固定侧密封环5为碳的组合。
如图2所示，在固定侧密封环5的滑动面S配设有规定数量(图2的实施例中为18个)的动压产生机构11。动压产生机构11为朝向滑动面S的泄露侧凸出的弧状槽部，经由向泄露侧的周缘5b开口的入口开口部11a与泄露侧连通，并且被密封流体侧具有被台面部包围的止端部11b，与被密封流体侧隔离。
动压产生机构11具有动压产生机构11的曲率从入口开口部11a(上游)朝向止端部11b(下游)连续增加的形状。以极坐标系表示的动压产生机构11的中心线的形状由以下的式(1)～式(3)表示。
P＝P0+h∫0 SejφdS (式1)
υ＝υ0+υvS+υuS2(式2)
S＝s/h(0＜S＜1)(式3)
其中，P0为始点(动压产生机构11的入口开口部11a)的位置矢量，P为动压产生机构11上的点的位置矢量，s为从P0至P为止的曲线的长度(m)，h为动压产生机构11的流路的全长(m)，S为用流路的全长h将长度s归一化的值，
Figure BDA0002896103200000051
为动压产生机构11的P上的切线方位角(rad)，
Figure BDA0002896103200000052
为虚数单位，
Figure BDA0002896103200000053
为初始方向(P0上的动压产生机构11的切线方位角(rad))，
Figure BDA0002896103200000054
为具有初始方向
Figure BDA0002896103200000055
的长度h的圆弧的h中的相对于
Figure BDA0002896103200000056
的切线角的增量(rad)，
Figure BDA0002896103200000057
为动压产生机构11的h中的相对于
Figure BDA0002896103200000058
的切线角的增量(rad)。即，h(S＝1)中的切线方位角为
Figure BDA0002896103200000059
例如，能够根据上述4个参数h、
Figure BDA00028961032000000510
确定动压产生机构11。另外，
Figure BDA00028961032000000511
及
Figure BDA00028961032000000512
均为零时，与等角螺旋一致。
Figure BDA00028961032000000513
为正值时成为朝向滑动面S的泄露侧凸出的曲线。为了确定本发明中的动压产生机构11的形状，在
Figure BDA00028961032000000514
的范围进行设定。并且，
Figure BDA00028961032000000515
为负值时成为朝向滑动面S的泄露侧凹陷的曲线。图3A是利用式(1)～式(3)，使用
Figure BDA00028961032000000516
为零时的矢量确定动压产生机构11的形状的图。即，动压产生机构11的形状设定为如下：动压产生机构11的入口开口部11a的曲率小(曲率半径大)，曲率根据自动压产生机构11的入口开口部11a的流路长度而变大(曲率半径小)。
如图3所示，若对象侧的滑动部件(旋转侧密封环3)沿规定方向(图3中为顺时针方向)旋转，则流体由于其粘性，追随旋转侧密封环3的移动方向而移动，流入动压产生机构11内。例如，如图3A所示，若从固定侧密封环5观察流体的流动，则流入动压产生机构11的流体的速度Vi成为将与旋转侧密封环3的转速相对应的周向速度u和基于动压产生机构11的抽吸作用的径向速度Vp合成的速度。
图3A中，周向速度u的影响大而径向速度小，因此流体流入动压产生机构11的角度α非常小。另一方面，动压产生机构11的入口开口部11a的初始曲率设定为零，因此滑动面S的内周缘5b与动压产生机构11的凸侧的面所成的角度即动压产生机构11的入口开口部11a的入口角度也成为零。由此，流体流入动压产生机构11的角度α与动压产生机构11的入口开口部11a的角度之差变得非常小，因此能够减小流体流入动压产生机构11的入口开口部11a时的流入损失。并且，动压产生机构11内的流体的周向速度u随着向流路下游侧移动而高效地转换为径向速度Vp，因此从低速旋转时就能够产生从泄露侧向滑动面S内吸入流体的抽吸作用。
另一方面，图3B表示流体流入以往的具有螺旋形状的动压产生机构12的状态。当为具有螺旋形状的动压产生机构12时，流体流入动压产生机构12的角度α与动压产生机构12的入口开口部11a的角度θ2之差变得非常大，因此流体流入动压产生机构12时的流入损失变得非常大。因此，除非高速旋转，否则不会产生从泄露侧向滑动面S内吸入流体的抽吸作用。
如此，具有本发明的动压产生机构11的滑动部件中，若旋转侧密封环3开始旋转，则从低旋转时(10rpm左右)就能够发挥抽吸作用而从泄露侧吸入流体，使欲向低压流体侧泄漏的被密封流体返回到被密封流体侧，因此能够提高密封性能。尤其，通过将滑动面S的内周缘5b与动压产生机构11的入口开口部11a所成的角度θ1设为0°≤θ1≤45°，优选设为0°≤θ1≤10°，能够使流体流入动压产生机构11时的流入损失极小。其中，θ1相当于式2的
Figure BDA0002896103200000061
并且，动压产生机构11从低速时就发挥抽吸作用，因此即使在低速时未充分产生基于动压产生机构11的动压时，也能够通过动压产生机构11的止端部11b的楔形效果产生正压，因此从低速旋转时就能够将滑动面S保持为流体润滑状态。
如上所述，本发明的滑动部件发挥以下效果。
1.设定为动压产生机构11的曲率与自入口开口部11a的动压产生机构11的流路长度成正比增大的形状，因此能够将流体流入动压产生机构11的角度α与动压产生机构11的入口开口部11a的入口角度之差设定为极小，因此能够使流体流入动压产生机构11时的流入损失极小。并且，动压产生机构11内的流体的周向速度u随着向流路下游侧移动而高效地转换为径向速度Vp，因此从低速旋转时就能够产生从泄露侧向滑动面S内吸入流体的抽吸作用。
2.通过将动压产生机构11设定为具有式(1)至(3)的形状，能够轻松地设计低损失的动压产生机构11。
3.动压产生机构11从低速时就发挥抽吸作用，因此即使在低速时未充分产生基于动压产生机构11的动压时，也能够通过动压产生机构11的止端部11b的楔形效果产生正压，因此从低速旋转时就能够将滑动面S保持为流体润滑状态。
以上，根据附图对本发明的实施例进行了说明，但具体结构并不限于这些实施例，不脱离本发明的宗旨的范围内的变更和追加也包括在本发明中。
上述实施例中，动压产生机构11由槽部构成，但并不限于此。例如，也可以由靠近配置微小的凹穴而成的模拟流路构成动压产生机构。
将外周侧设为被密封流体侧且将内周侧设为泄露侧，但并不限于此，内周侧为被密封流体侧且外周侧为泄露侧时也能够适用。例如，通过将动压产生机构11的入口开口部11a设为滑动面的外周缘，且在
Figure BDA0002896103200000071
的范围进行设定，能够确定动压产生槽11。
并且，将动压产生机构11设置于固定侧密封环5的滑动面S，但也可以设置于旋转侧密封环3的滑动面S。
符号说明
1-机械密封件，2-套筒，3-旋转侧密封环，5-固定侧密封环，6-螺旋波浪形弹簧，7-波纹管，8-衬垫，9-外壳，10-旋转轴，11-动压产生机构，11a-入口开口部，11b-止端部,12-动压产生机构,S-滑动面。

Claims (8)

1.一种滑动部件，其为通过滑动面彼此相对滑动的一对滑动部件，其特征在于，
至少其中一个滑动部件的滑动面具备动压产生机构，所述动压产生机构自入口开口部在周向上沿着相对旋转方向延伸地形成，所述动压产生机构的曲率根据自该动压产生机构的所述入口开口部的流路长度而连续地增加，直到所述动压产生机构的另一端。
2.根据权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，
所述滑动面的周缘与所述动压产生机构的入口开口部所成的角度设定为0°至45°。
3.根据权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，
所述动压产生机构的形状由以下式表示，
P-P0+h∫0 sejφdS (式1)
φ＝φ0+φvS+φuS2 (式2)
S＝s/h(0＜S＜1) (式3)
其中，P为所述动压产生机构上的点的位置矢量，P0为所述动压产生机构的所述入口开口部的位置矢量，s为从P0至P为止的流路长度，h为所述动压产生机构的流路的全长，S为用h将s归一化后的值，
Figure FDA0003892668860000011
为P上的切线方位角，
Figure FDA0003892668860000012
为虚数单位，
Figure FDA0003892668860000013
为P0上的切线方位角，
Figure FDA0003892668860000014
为在具有
Figure FDA0003892668860000015
的长度h的圆弧中h中的相对于
Figure FDA0003892668860000016
的切线角的增量，
Figure FDA0003892668860000017
为h中的相对于
Figure FDA0003892668860000018
的切线角的增量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
所述动压产生机构的一端与泄露侧连通并且另一端被台面部包围。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
所述动压产生机构的一端被台面部包围并且另一端与被密封流体侧连通。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
所述动压产生机构被台面部包围。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
所述动压产生机构由槽部构成。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
所述动压产生机构为由凹穴组构成的模拟流路，所述凹穴组由多个凹穴构成。
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