机械密封端面槽形的可视化设计

机械密封端面槽形的可视化设计

提 要：端面开槽的机械密封其槽形多样，选择正确的槽形可获得最佳使用性能。根据槽形的特点，本文基于Visual Basic.NET 的图形图像技术和AutoCAD 二次开发技术，编制了槽形的可视化设计软件，该软件可快速精确绘制槽形图并输出设计结果，其交互性好、效率高。
关 键 词：机械密封；槽形；可视化设计

0 引 言

机械密封技术发展迅速其中端面开槽的表面改型技术日趋成熟，出现了很多新结构和新产品。1968年约翰克兰公司伽德纳研制并试验出圆弧面螺旋槽非接触式机械密封；1979年伽布尔研制了平面惠普尔螺旋槽气体密封；1988~1990年顾永泉、王建荣等研制和试验了泵入式圆弧槽气体机械密封；1990年日本横山英二研制了带中间环双向螺旋槽端面密封；1995 年美国杜拉密泰列克公司生产了泵用斜角槽气体端面密封[1]。上述机械密封端面均开有不同形式的槽，在高参数条件下，能够改善端面润滑状况，减少端面磨损，以及延长使用寿命。

端面槽形多种多样，适用于不同的工况条件。如周向台阶、周向斜面、周向槽、直线槽、三角槽、半圆形槽、矩形槽、弧形槽、叶形槽、螺旋槽等。其中深槽一般用于液体密封，浅槽一般用于气体密封。而且，端面槽形的参数如槽深、槽数会影响密封性能。因此需要按照使用要求进行合理设计。本文旨在研究机械密封端面槽形的特点，运用计算机技术选择槽形、确定各项参数、绘制图形，并将图形输出到打印机或数控加工设备上。

1 机械密封端面槽形的特点

1.1 几何特点

深槽机械密封在结构上类似于普通机械密封，不同之处在于密封端面开有沟槽，常见结构有圆弧槽、环形槽、矩形槽等，槽深1-2mm，利用流体静压效应和热流体动压效应平衡闭合力。浅槽机械密封端面槽深仅为几个微米，但是密封面宽度大，主要依靠流体动压效应在两端面间建立流体动压力来平衡闭合力，实现密封端面的非接触，常见的型式有螺旋槽、直线槽、梯形槽等[2]。

机械密封端面密封环有动环、静环之分。作为高速转子，要保证动环在高速旋转时的稳定性，即保证液膜的稳定性，要求动环整体中心对称，若槽开在动环上，还要保证动环的材料密度均匀。因此，密封槽的最显著特点是槽形关于旋转轴中心对称。多个槽均匀分布在端面上，槽的轮廓线包括为直线、圆弧线、螺旋线或它们的组合。深槽的槽数对密封性能的影响不大，一般取8~12；而浅槽的槽数通常在20~30之间，超出这个范围其承载力会有所下降[3]。

1.2 加工方法

端面槽的加工精度要求较高。槽的几何参数对密封性能影响很大，如槽深、槽数、槽径比、入口角及槽面粗糙度等，都直接关系到开启力、泄漏量、刚漏比、端面温升摩擦系数等密封装置的主要性能参数，从而影响其使用性能和寿命。微米级的浅槽槽深对密封装置的泄漏特性有显著影响，槽深仅差几个微米时，泄漏量就可能相差几个数量级，因而必须精确设计和加工动压槽。目前端面槽常用的加工方法有：光刻法(化学腐蚀)、电火花加工(电蚀刻)、电镀法、喷砂法、激光加工法、机加工法等[4]。加工前需精确设计绘制槽形图案，常用的绘图软件效率较低，在设计螺旋线等复杂函数曲线时，尤显繁琐且精度不高。

1.3 对性能的影响

机械密封的结构、材料、辅助系统关系到其使用寿命。槽形对机械密封性能的影响尤其显著。浅槽槽形较多，常用于气体密封。螺旋槽用于液体密封时，其液膜虽然较薄，但产生的液膜承载能力与液膜刚度大于斜线槽与人字槽[5][6]。直线槽是双旋向槽，动压开启力随液膜厚度减小而增大，液膜刚度较大[7]。深槽槽形对机械密封性能影响较大，矩形槽的流体膜周向波度非常明显，径向锥度较大，流体膜的几何和力学行为沿周向变化较为规律[3]。圆弧槽的流体膜膜厚在径向和周向变化都较小，流体动压效应较弱[8]。除液膜承载力、液膜刚度外、表征性能的参数还有pV 值、摩擦系数、磨损量、端面温升、泄漏率、摩擦功率、摩擦热与循环（冲洗）量等。因此设计时需要综合考虑槽形对各参数的影响，以获得最佳的使用性能。例如，要获得较大的液膜刚度，应选择螺旋槽或直线槽。

2 Visual Basic.NET 的图形图像技术

Visual Basic.NET 是微软公司系列可视化开发工具Visual Studio.NET 中的产品，是创建Windows 应用程序最简便最快捷的开发工具之一[9]。运用其图形图像技术可以绘制直线图形、曲线图形、归递图形和随机图形、工程曲线、工程曲面以及二维、三维图形的几何变换，能满足槽形设计的要求。

运用Visual Basic.NET 的图形图像技术，可以快速绘制端面槽形的二维或三维图形，操作简便、结果可靠。应用程序界面与Windows 类似，与用户的交互性强。确定槽形后，用户只需输入基本参数，即可得到槽形图。图形输出模块运用了AutoCAD 二次开发技术，使得数字化的设计结果可以直接被AutoCAD 软件识别或被中间软件处理后传输到数控加工设备。可视化设计过程如图1 所示。

图1 应用程序框图

3 示 例

螺旋槽的应用场合较，多具有一定的代表性。现以螺旋槽气体密封端面为例，说明应用程序绘制槽形的过程。

3.1 螺旋槽几何特征

螺旋槽气体密封的密封槽由动环和静环组成，密封端面上加工有流槽、密封堰和密封坝、如图2 所示。螺旋槽的型线有对数螺旋线和阿基米德螺旋线，前者为内外圆等槽角螺旋线；后者为变槽角螺旋线。气体密封的螺旋槽型线常采用对数螺旋线，其表达式为：r=Rge^θtanα 式中Rg为槽底半径，单位为mm；α为槽角，通常为15°~20°；θ为转角。

图2 螺旋槽气体密封面示意图

3.2 算法与画法

设计时需知密封面内圆半径R1、外圆半径R2、槽底半径Rg、槽角α、槽数n及槽宽S。Visual Basic.NET 中没有对数螺旋线函数，因此在绘制螺旋线时需用有限个短直线段首尾相接来近似螺旋线。由r=Rge^θtanα可知当r等于R2时螺旋线与外圆相交，此时可求得θ；相邻两槽的相位差为2ð/n，组成一个槽的两螺旋线相位差为S/Rg。绘制螺旋线时首先将螺旋线对应的转角θ分成若干等分，若以密封面外圆圆心为坐标原点，那么螺旋线上任一转角为θ1的点的平面坐标为X=rcos(θ1+δ)，Y=rsin(θ1+δ)，其中δ为该螺旋线起点的相位角。点的坐标已知，按转角渐增的方向画出点与点的连线，线段首尾相接即组成近似的螺旋线，等分越多，弧线越光滑绘图耗时越长。由于气体密封槽深度是微米级的，与厘米级的槽宽相距甚远，限于计算机的分辨率，无法清晰显示槽的三维图形，因此设计时不必要画出槽的三维图形只要注明加工深度即可。此外，还可为螺旋槽着色，以增强对比度。且可根据加工要求选择是否在图上绘出坐标线和圆心，螺旋槽不但旋向有区别，还有内槽、外槽之分，设计时需作选择。槽形确定后即可绘图，若需要计算密封性能，则转到求解性能参数模块。

图形的输出形式为打印和转化为AutoCAD 的DXF 文件。图3 界面中的图形尺寸按照一定比例进行了缩放，打印机打印的图像尺寸则是实体尺寸，加工时可直接参照打印图形。

图3 可视化设计界面

AutoCAD 在工业零件设计中应用较为广泛，具有图形交换文件DXF 接口[10]。DXF 文件是AutoCAD 标准图形交换文件，是对图形的完整描述，由AutoCAD 绘制的零件图可直接生成图形信息DXF 文件格式。数控机床图形自动编程系统[11]可针对由AutoCAD 生成的DXF 文件进行信息的读取和处理。本程序能直接将槽形图转化为DXF 文件，再利用数控机床图形自动编程系统就能将槽形参数快速传送给数控机床。

槽形的加工方法很多，但要用机加工方法精确加工微米级的浅槽十分困难，因而通常采用激光加工法和光刻法。如采用光刻法时，则无需将槽形参数转化为DXF，而直接将绘制的槽形图打印在透明的胶片上，胶片上凹槽部分呈现深色，透光性差；堰区、坝区部分仍为透明，透光性好。将胶片定位后，利用光刻法原理即可进行精确加工。

其它的槽形如直线槽、矩形槽、半圆形槽的线型简单、参数少、设计过程相对简单，其方法与螺旋槽设计类似。有些槽形如人字槽、内外双槽的参数较多，设计复杂，采用可视化设计后更可以明显提高效率。

4 结 论

(1) 机械密封槽形的多样化使机械密封的应用领域日益广泛，高参数机械密封不断涌现的同时亦使密封装置的设计日趋复杂化；
(2) 使用本文提出的可视化设计方法可以快速、精确地绘制槽形图，设计结果准确可靠，大大提高了设计效率；
(3) 本软件系统界面友好、操作简便，具有可移植、功能易扩展等优点。

参 考 文 献
1 顾永泉，机械密封实用技术[M] 北京机械工业出版社2001.7
2 宋鹏云，端面开槽机械密封技术研究进展[J] 化工机械1999 2 110 115
3 赵惠清，深槽浅槽机械密封的对比分析[J] 北京化工大学学报1999 2 37 39
4 张 珊，机械密封环端面流体动压槽的加工方法[J] 流体机械2000 3 38 41
5 Ralph P.Gabriel. Fundamental of Spiral Groove Non-contacting Face Seal. Lubrication Engineering 1978 7 367 375
6 Josef Sedy. A New Self-Aligning Mechanism for the Spiral-Groove Seal Stability[J]. Lubrication Engineering 1979 10 592 598
7 P.Basu. Analysis of a Radial Groove Gas Face seal[J]. Tribology Transaction 1992（1） 11 20
8 Tom Lai. Development of Non-contacting, Non-leaking Spiral Groove Liquid Face Seal[J]. Lubrication Engineering 1993 8 625 631
9 李友兰，Visual Basic.NET 图形图像编程与实例详解[M] 北京电子工业出版社2002.8
10 李增民，AutoCAD R14 中文版功能详解[M] 北京科学出版社1999
11 王 阳，数控机床图形自动编程系统[J] 机床与液压2000 3 57 58