機(jī)械密封端面槽形的可視化設(shè)計(jì)

機(jī)械密封端面槽形的可視化設(shè)計(jì)

提 要：端面開槽的機(jī)械密封其槽形多樣，選擇正確的槽形可獲得最佳使用性能。根據(jù)槽形的特點(diǎn)，本文基于Visual Basic.NET 的圖形圖像技術(shù)和AutoCAD 二次開發(fā)技術(shù)，編制了槽形的可視化設(shè)計(jì)軟件，該軟件可快速精確繪制槽形圖并輸出設(shè)計(jì)結(jié)果，其交互性好、效率高。
關(guān) 鍵 詞：機(jī)械密封；槽形；可視化設(shè)計(jì)

0 引 言

機(jī)械密封技術(shù)發(fā)展迅速其中端面開槽的表面改型技術(shù)日趨成熟，出現(xiàn)了很多新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品。1968年約翰克蘭公司伽德納研制并試驗(yàn)出圓弧面螺旋槽非接觸式機(jī)械密封；1979年伽布爾研制了平面惠普爾螺旋槽氣體密封；1988~1990年顧永泉、王建榮等研制和試驗(yàn)了泵入式圓弧槽氣體機(jī)械密封；1990年日本橫山英二研制了帶中間環(huán)雙向螺旋槽端面密封；1995 年美國杜拉密泰列克公司生產(chǎn)了泵用斜角槽氣體端面密封[1]。上述機(jī)械密封端面均開有不同形式的槽，在高參數(shù)條件下，能夠改善端面潤滑狀況，減少端面磨損，以及延長使用壽命。

端面槽形多種多樣，適用于不同的工況條件。如周向臺(tái)階、周向斜面、周向槽、直線槽、三角槽、半圓形槽、矩形槽、弧形槽、葉形槽、螺旋槽等。其中深槽一般用于液體密封，淺槽一般用于氣體密封。而且，端面槽形的參數(shù)如槽深、槽數(shù)會(huì)影響密封性能。因此需要按照使用要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。本文旨在研究機(jī)械密封端面槽形的特點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)選擇槽形、確定各項(xiàng)參數(shù)、繪制圖形，并將圖形輸出到打印機(jī)或數(shù)控加工設(shè)備上。

1 機(jī)械密封端面槽形的特點(diǎn)

1.1 幾何特點(diǎn)

深槽機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)上類似于普通機(jī)械密封，不同之處在于密封端面開有溝槽，常見結(jié)構(gòu)有圓弧槽、環(huán)形槽、矩形槽等，槽深1-2mm，利用流體靜壓效應(yīng)和熱流體動(dòng)壓效應(yīng)平衡閉合力。淺槽機(jī)械密封端面槽深僅為幾個(gè)微米，但是密封面寬度大，主要依靠流體動(dòng)壓效應(yīng)在兩端面間建立流體動(dòng)壓力來平衡閉合力，實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸，常見的型式有螺旋槽、直線槽、梯形槽等[2]。

機(jī)械密封端面密封環(huán)有動(dòng)環(huán)、靜環(huán)之分。作為高速轉(zhuǎn)子，要保證動(dòng)環(huán)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，即保證液膜的穩(wěn)定性，要求動(dòng)環(huán)整體中心對(duì)稱，若槽開在動(dòng)環(huán)上，還要保證動(dòng)環(huán)的材料密度均勻。因此，密封槽的最顯著特點(diǎn)是槽形關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸中心對(duì)稱。多個(gè)槽均勻分布在端面上，槽的輪廓線包括為直線、圓弧線、螺旋線或它們的組合。深槽的槽數(shù)對(duì)密封性能的影響不大，一般取8~12；而淺槽的槽數(shù)通常在20~30之間，超出這個(gè)范圍其承載力會(huì)有所下降[3]。

1.2 加工方法

端面槽的加工精度要求較高。槽的幾何參數(shù)對(duì)密封性能影響很大，如槽深、槽數(shù)、槽徑比、入口角及槽面粗糙度等，都直接關(guān)系到開啟力、泄漏量、剛漏比、端面溫升摩擦系數(shù)等密封裝置的主要性能參數(shù)，從而影響其使用性能和壽命。微米級(jí)的淺槽槽深對(duì)密封裝置的泄漏特性有顯著影響，槽深僅差幾個(gè)微米時(shí)，泄漏量就可能相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而必須精確設(shè)計(jì)和加工動(dòng)壓槽。目前端面槽常用的加工方法有：光刻法(化學(xué)腐蝕)、電火花加工(電蝕刻)、電鍍法、噴砂法、激光加工法、機(jī)加工法等[4]。加工前需精確設(shè)計(jì)繪制槽形圖案，常用的繪圖軟件效率較低，在設(shè)計(jì)螺旋線等復(fù)雜函數(shù)曲線時(shí)，尤顯繁瑣且精度不高。

1.3 對(duì)性能的影響

機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)、材料、輔助系統(tǒng)關(guān)系到其使用壽命。槽形對(duì)機(jī)械密封性能的影響尤其顯著。淺槽槽形較多，常用于氣體密封。螺旋槽用于液體密封時(shí)，其液膜雖然較薄，但產(chǎn)生的液膜承載能力與液膜剛度大于斜線槽與人字槽[5][6]。直線槽是雙旋向槽，動(dòng)壓開啟力隨液膜厚度減小而增大，液膜剛度較大[7]。深槽槽形對(duì)機(jī)械密封性能影響較大，矩形槽的流體膜周向波度非常明顯，徑向錐度較大，流體膜的幾何和力學(xué)行為沿周向變化較為規(guī)律[3]。圓弧槽的流體膜膜厚在徑向和周向變化都較小，流體動(dòng)壓效應(yīng)較弱[8]。除液膜承載力、液膜剛度外、表征性能的參數(shù)還有pV 值、摩擦系數(shù)、磨損量、端面溫升、泄漏率、摩擦功率、摩擦熱與循環(huán)（沖洗）量等。因此設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮槽形對(duì)各參數(shù)的影響，以獲得最佳的使用性能。例如，要獲得較大的液膜剛度，應(yīng)選擇螺旋槽或直線槽。

2 Visual Basic.NET 的圖形圖像技術(shù)

Visual Basic.NET 是微軟公司系列可視化開發(fā)工具Visual Studio.NET 中的產(chǎn)品，是創(chuàng)建Windows 應(yīng)用程序最簡便最快捷的開發(fā)工具之一[9]。運(yùn)用其圖形圖像技術(shù)可以繪制直線圖形、曲線圖形、歸遞圖形和隨機(jī)圖形、工程曲線、工程曲面以及二維、三維圖形的幾何變換，能滿足槽形設(shè)計(jì)的要求。

運(yùn)用Visual Basic.NET 的圖形圖像技術(shù)，可以快速繪制端面槽形的二維或三維圖形，操作簡便、結(jié)果可靠。應(yīng)用程序界面與Windows 類似，與用戶的交互性強(qiáng)。確定槽形后，用戶只需輸入基本參數(shù)，即可得到槽形圖。圖形輸出模塊運(yùn)用了AutoCAD 二次開發(fā)技術(shù)，使得數(shù)字化的設(shè)計(jì)結(jié)果可以直接被AutoCAD 軟件識(shí)別或被中間軟件處理后傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)控加工設(shè)備?？梢暬O(shè)計(jì)過程如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用程序框圖

3 示 例

螺旋槽的應(yīng)用場合較，多具有一定的代表性。現(xiàn)以螺旋槽氣體密封端面為例，說明應(yīng)用程序繪制槽形的過程。

3.1 螺旋槽幾何特征

螺旋槽氣體密封的密封槽由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成，密封端面上加工有流槽、密封堰和密封壩、如圖2 所示。螺旋槽的型線有對(duì)數(shù)螺旋線和阿基米德螺旋線，前者為內(nèi)外圓等槽角螺旋線；后者為變槽角螺旋線。氣體密封的螺旋槽型線常采用對(duì)數(shù)螺旋線，其表達(dá)式為：r=Rge^θtanα 式中Rg為槽底半徑，單位為mm；α為槽角，通常為15°~20°；θ為轉(zhuǎn)角。

圖2 螺旋槽氣體密封面示意圖

3.2 算法與畫法

設(shè)計(jì)時(shí)需知密封面內(nèi)圓半徑R1、外圓半徑R2、槽底半徑Rg、槽角α、槽數(shù)n及槽寬S。Visual Basic.NET 中沒有對(duì)數(shù)螺旋線函數(shù)，因此在繪制螺旋線時(shí)需用有限個(gè)短直線段首尾相接來近似螺旋線。由r=Rge^θtanα可知當(dāng)r等于R2時(shí)螺旋線與外圓相交，此時(shí)可求得θ；相鄰兩槽的相位差為2e/n，組成一個(gè)槽的兩螺旋線相位差為S/Rg。繪制螺旋線時(shí)首先將螺旋線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ分成若干等分，若以密封面外圓圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，那么螺旋線上任一轉(zhuǎn)角為θ1的點(diǎn)的平面坐標(biāo)為X=rcos(θ1+δ)，Y=rsin(θ1+δ)，其中δ為該螺旋線起點(diǎn)的相位角。點(diǎn)的坐標(biāo)已知，按轉(zhuǎn)角漸增的方向畫出點(diǎn)與點(diǎn)的連線，線段首尾相接即組成近似的螺旋線，等分越多，弧線越光滑繪圖耗時(shí)越長。由于氣體密封槽深度是微米級(jí)的，與厘米級(jí)的槽寬相距甚遠(yuǎn)，限于計(jì)算機(jī)的分辨率，無法清晰顯示槽的三維圖形，因此設(shè)計(jì)時(shí)不必要畫出槽的三維圖形只要注明加工深度即可。此外，還可為螺旋槽著色，以增強(qiáng)對(duì)比度。且可根據(jù)加工要求選擇是否在圖上繪出坐標(biāo)線和圓心，螺旋槽不但旋向有區(qū)別，還有內(nèi)槽、外槽之分，設(shè)計(jì)時(shí)需作選擇。槽形確定后即可繪圖，若需要計(jì)算密封性能，則轉(zhuǎn)到求解性能參數(shù)模塊。

圖形的輸出形式為打印和轉(zhuǎn)化為AutoCAD 的DXF 文件。圖3 界面中的圖形尺寸按照一定比例進(jìn)行了縮放，打印機(jī)打印的圖像尺寸則是實(shí)體尺寸，加工時(shí)可直接參照打印圖形。

圖3 可視化設(shè)計(jì)界面

AutoCAD 在工業(yè)零件設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，具有圖形交換文件DXF 接口[10]。DXF 文件是AutoCAD 標(biāo)準(zhǔn)圖形交換文件，是對(duì)圖形的完整描述，由AutoCAD 繪制的零件圖可直接生成圖形信息DXF 文件格式。數(shù)控機(jī)床圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)[11]可針對(duì)由AutoCAD 生成的DXF 文件進(jìn)行信息的讀取和處理。本程序能直接將槽形圖轉(zhuǎn)化為DXF 文件，再利用數(shù)控機(jī)床圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)就能將槽形參數(shù)快速傳送給數(shù)控機(jī)床。

槽形的加工方法很多，但要用機(jī)加工方法精確加工微米級(jí)的淺槽十分困難，因而通常采用激光加工法和光刻法。如采用光刻法時(shí)，則無需將槽形參數(shù)轉(zhuǎn)化為DXF，而直接將繪制的槽形圖打印在透明的膠片上，膠片上凹槽部分呈現(xiàn)深色，透光性差；堰區(qū)、壩區(qū)部分仍為透明，透光性好。將膠片定位后，利用光刻法原理即可進(jìn)行精確加工。

其它的槽形如直線槽、矩形槽、半圓形槽的線型簡單、參數(shù)少、設(shè)計(jì)過程相對(duì)簡單，其方法與螺旋槽設(shè)計(jì)類似。有些槽形如人字槽、內(nèi)外雙槽的參數(shù)較多，設(shè)計(jì)復(fù)雜，采用可視化設(shè)計(jì)后更可以明顯提高效率。

4 結(jié) 論

(1) 機(jī)械密封槽形的多樣化使機(jī)械密封的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，高參數(shù)機(jī)械密封不斷涌現(xiàn)的同時(shí)亦使密封裝置的設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜化；
(2) 使用本文提出的可視化設(shè)計(jì)方法可以快速、精確地繪制槽形圖，設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，大大提高了設(shè)計(jì)效率；
(3) 本軟件系統(tǒng)界面友好、操作簡便，具有可移植、功能易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)
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