CN112413129B - 一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，制备一对密封环，将一对密封环的摩擦面作为密封面相对装配，形成机械密封组件，机械密封组件的密封面被引导液完全覆盖，在引导液和水环境中对机械密封组件进行加压运行，在摩擦化学原理的作用下，经历跑合过程后，形成处于超滑状态的水润滑机械密封面。本发明能够在无磨损的情况下大幅度降低流经密封间隙的泄漏率。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法。
背景技术
机械密封属于旋转轴密封的一类，在化工、石油、纺织、运输、电力、农业等诸多行业中具有广泛的应用。机械密封包含两个在环形的表面密切配合的密封环，其中一个密封环是刚性安装的，通常称为非补偿环，另一个是柔性安装的，通常称为补偿环。
在机械密封的运行过程中，两个密封环中的一个跟随转轴进行转动，另一个保持静止。补偿环受到弹性部件以及流体静压的作用被压紧在非补偿环表面，在两个密封环的间隙内存在液体，这种液体通常是被密封的介质，形成一层极薄的液膜。
根据机械密封的工作状态不同，液膜的厚度有所不同：常见的非接触型密封面的液膜厚度约为10μm，接触型密封的液膜厚度通常小于1μm。通常情况下，液膜厚度过大则造成密封效果不佳，泄漏量大，而液膜厚度过小则造成密封表面之间发生接触，产生磨损。
密封液膜的厚度由密封面的表面形貌轮廓所确定。如图1所示，密封环的密封面在装配之前通常需要进行研磨和抛光，去除表面局部凸起，使得密封表面尽量光滑，达到较低粗糙度(Ra<0.2μm)，防止由于表面的局部凸起造成接触、碰撞与磨损。然后将两个密封环进行精密装配，形成密封副。密封液膜厚度的下限由加工及装配精度所限制。正常情况下，密封表面的摩擦状态处于“全膜润滑+局部边界润滑”的状态，局部的边界润滑状态限制了密封液膜厚度的进一步减小。例如，在水润滑机械密封中，在表面粗糙度Ra＝0.1μm的密封面间，密封液膜的厚度无法低于0.45μm，否则将出现大面积的表面局部接触并产生磨损。
在上述背景下，在确保密封表面不发生大面积磨损的前提下，机械密封的泄漏率无法进一步降低，原因在于密封液膜的厚度无法进一步降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，能够在无磨损的情况下大幅度降低流经密封间隙的泄漏率。
为了达到上述目的，本发明提供一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，包含以下步骤：
步骤S1、制备一对密封环，一个作为非补偿环，另一个作为补偿环；
步骤S2、将一对密封环的摩擦面作为密封面相对装配，形成机械密封组件，机械密封组件的密封面被引导液完全覆盖；
步骤S3、在引导液和水环境中对机械密封组件进行加压运行，在摩擦化学原理的作用下，经历跑合过程后，形成处于超滑状态的水润滑机械密封面。
所述密封环的材料采用碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷。
所述引导液为含有二氧化硅纳米颗粒的悬浊液。
所述步骤S1包含以下步骤：
准备一对未进行过研磨抛光的密封环，对两个密封环的摩擦面的对面进行研磨；
使用具有挥发特性的有机溶液，利用超声清洗装置对密封环的摩擦面进行清洗后，静置自然风干。
所述有机溶液采用乙醇或丙酮。
所述步骤S2中，先在密封环的密封面上滴入引导液，再装配密封环；
将引导液滴于其中一个密封环的摩擦面表面，使引导液100％覆盖摩擦面；
将两个密封环的摩擦面相对装配，形成机械密封组件，两个密封环的摩擦面上的表面局部凸起之间形成摩擦间隙，装配完成后，引导液充满摩擦间隙。
所述步骤S2中，先装配密封环，再将引导液滴入密封环的密封面；
将两个密封环的摩擦面相对装配，形成机械密封组件，两个密封环的摩擦面上的表面局部凸起之间形成摩擦间隙；
将引导液注入机械密封组件，使引导液100％覆盖密封环的摩擦面并充满摩擦间隙。
所述步骤S3中，所述在引导液和水环境中对机械密封组件进行加压运行的方法包含以下步骤：
向机械密封组件施加水流背压至基础压力值，启动转轴到达额定转速，带动机械密封组件中的一个密封环随转轴转动，两个密封环的摩擦面保持相互压紧状态；
保持转轴额定转速，以固定的压力阶梯将水流背压逐级升压至最高压力值；
在最高压力值保持转轴额定转速，直至检测到的摩擦系数、泄漏率、功率损失的波动幅度同时小于0.1％，停止转动。
所述基础压力值为0.1～0.2MPa，所述最高压力值为基础压力值的125％～130％。
以基础压力值的5％～25％为压力阶梯，逐级增加水流背压，并在每一个压力平台上保持转轴转动大于等于2分钟，直至压力升高至最高压力值。
本发明制备的处于超滑状态的水润滑机械密封面能够在水环境下达到超滑状态，其液膜厚度在0.1μm的数量级，摩擦系数远低于0.01，并且摩擦表面没有可观测到的磨损。这种处于超滑状态的机械密封能够在无磨损的情况下大幅度降低流经密封间隙的泄漏率。
附图说明
图1是传统的机械密封的加工历史及工作状态示意图。
图2是本发明提供的一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法的示意图。
图3是处于超滑状态的水润滑机械密封面的结构示意图。
具体实施方式
以下根据图2～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
本发明将摩擦学中的“超滑”现象应用于水润滑的机械密封。“超滑”现象是指两个物体发生接触且相对运动时，二者间的摩擦力极小，可忽略不计，通常要求摩擦系数在千分之一到万分之一的量级。在水润滑的“超滑”现象中，摩擦副材料为碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷，其液膜厚度在0.1μm的数量级，摩擦系数远低于0.01，并且摩擦表面没有可观测到的磨损。这种在“超滑”状态的机械密封能够在无磨损的情况下大幅度降低流经密封间隙的泄漏率。这是由于液膜的厚度极小，比通常情况下小10倍。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，提供一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，包含以下步骤：
步骤S1、制备一对碳化硅材料的密封环，一个作为非补偿环，另一个作为补偿环；
步骤S2、将一对密封环的摩擦面作为密封面相对装配，形成机械密封组件，机械密封组件的密封面被引导液完全覆盖；
步骤S3、在引导液和水环境中对机械密封组件进行加压运行，在摩擦化学原理的作用下，经历跑合过程后，形成处于超滑状态的水润滑机械密封面。
进一步，所述步骤S1包含以下步骤：
步骤S1.1、准备一对碳化硅材料的密封环，两个密封环的摩擦面均保留其烧结过后的原始粗糙状态(无研磨、抛光)，对两个密封环的摩擦面的对面(即圆环的支承面)进行研磨，使其表面轮廓度达到5μm；
步骤S1.2、利用超声清洗装置使用具有挥发特性的常用于表面清洁的有机溶液，例如乙醇或丙酮，对密封环的摩擦面进行清洗后，静置自然风干。
所述步骤S2中，既可以先在密封环的密封面上滴入引导液，再装配密封环，也可以先装配密封环，再将引导液滴入密封环的密封面。
当先滴入引导液时，步骤S2包含以下步骤：
步骤S2-1.1、将引导液滴于其中一个密封环的摩擦面表面，使引导液能够100％覆盖摩擦面；所述引导液为含有二氧化硅纳米颗粒的悬浊液，可以作为两个密封环的接触面之间的缓冲层，并能够为达到超滑状态提供必不可少的二氧化硅；
步骤S2-1.2、将两个密封环的摩擦面相对装配，形成机械密封组件，两个密封环的摩擦面形成摩擦副，也即密封副；两个密封环的摩擦面上的表面局部凸起之间形成摩擦间隙；装配过程中需防止引导液流出密封环的密封面，密封环安装完成后，引导液应充满互相配合的摩擦间隙内。
当先装配密封环时，步骤S2包含以下步骤：
步骤S2-2.1、将两个密封环的摩擦面相对装配，形成机械密封组件，两个密封环的摩擦面形成摩擦副，也即密封副；
步骤S2-2.2、将引导液注入机械密封组件，使引导液能够100％覆盖密封环的摩擦面，并充满摩擦间隙。
所述步骤S3包含以下步骤：
步骤S3.1、将机械密封组件安装至机械密封试验回路或泵产品中；
步骤S3.2、向机械密封试验回路或泵产品的机械密封注入水回路加压至基础压力值0.1～0.2MPa，启动转轴到达额定转速，带动机械密封组件中的一个密封环随转轴转动，受到水流背压的作用，两个密封环的摩擦面保持相互压紧的状态；
步骤S3.3、在保持转轴额定转速的情况下，以固定的压力阶梯逐级升压至最高压力值；
以基础压力值的5％～25％为压力阶梯，逐级增加水流背压，并在每一个压力平台上保持转轴转动大于等于2分钟，直至压力升高至最高压力值，所述最高压力值为基础压力值的125％～130％；
步骤S3.4、在最高压力值保持转轴转动，直至检测到的摩擦系数、泄漏率、功率损失的波动幅度同时小于0.1％，停止转动，此时机械密封组件的密封面在水润滑条件下达到超滑状态。
如图3所示，在水环境中进行加压运行，机械密封组件中的一个密封环随转轴转动，两个密封环的摩擦面形成的摩擦副在引导液和水环境中经历跑合过程，在摩擦化学原理的作用下，密封环的摩擦面上的表面局部凸起被逐渐磨平，形成基于摩擦化学原理的平坦表面。与此同时，引导液、水、以及摩擦化学过程中形成的磨屑产物生成溶胶，填充于摩擦面上的局部凹坑中，脱水形成富氧的附着层。平坦表面与附着层共同构成处于超滑状态的水润滑机械密封面。所述平坦表面主要由碳化硅母材构成，其表面存在厚度约20nm的极薄的氧化层。在超滑状态中，所述平坦表面这种“高原”结构作为主体支承结构承担法向载荷。两个摩擦表面的“高原”结构紧密贴合，之间的间隙宽度在0.1μm的数量级。所述凹坑分布在所述平坦表面之间，其高度低于平坦表面，凹坑中填充的附着层为碳化硅母材的原始表面，附着层由硅氧溶胶脱水固化后形成，具有较高的氧含量。在超滑状态中，所述凹坑由于其较低的海拔高度，仅承担少量的法向载荷，其附着层中的硅氧化合物在水环境中能够缓慢水解，在局部生成硅酸，软质溶胶填充的凹坑结构可使硬质的平坦表面结构承担的法向载荷降低，利于摩擦表面的磨损寿命的延长。
本发明制备的处于超滑状态的水润滑机械密封面能够在水环境下达到超滑状态，其液膜厚度在0.1μm的数量级，摩擦系数远低于0.01，并且摩擦表面没有可观测到的磨损。这种处于超滑状态的机械密封能够在无磨损的情况下大幅度降低流经密封间隙的泄漏率。
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述实施例，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、制备一对未进行过研磨抛光的密封环，一个作为非补偿环，另一个作为补偿环，对两个密封环的摩擦面的对面进行研磨，使用具有挥发特性的有机溶液，利用超声清洗装置对密封环的摩擦面进行清洗后，静置自然风干；
步骤S2、将一对密封环的摩擦面作为密封面相对装配，形成机械密封组件，机械密封组件的密封面被引导液完全覆盖；
步骤S3、在引导液和水环境中对机械密封组件进行加压运行，在摩擦化学原理的作用下，经历跑合过程后，形成处于超滑状态的水润滑机械密封面。
2.如权利要求1所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述密封环的材料采用碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷。
3.如权利要求1所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述引导液为含有二氧化硅纳米颗粒的悬浊液。
4.如权利要求2或3所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述有机溶液采用乙醇或丙酮。
5.如权利要求4所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述步骤S2中，先在密封环的密封面上滴入引导液，再装配密封环；
将引导液滴于其中一个密封环的摩擦面表面，使引导液100％覆盖摩擦面；
将两个密封环的摩擦面相对装配，形成机械密封组件，两个密封环的摩擦面上的表面局部凸起之间形成摩擦间隙，装配完成后，引导液充满摩擦间隙。
6.如权利要求4所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述步骤S2中，先装配密封环，再将引导液滴入密封环的密封面；
将两个密封环的摩擦面相对装配，形成机械密封组件，两个密封环的摩擦面上的表面局部凸起之间形成摩擦间隙；
将引导液注入机械密封组件，使引导液100％覆盖密封环的摩擦面并充满摩擦间隙。
7.如权利要求5或6所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述在引导液和水环境中对机械密封组件进行加压运行的方法包含以下步骤：
向机械密封组件施加水流背压至基础压力值，启动转轴到达额定转速，带动机械密封组件中的一个密封环随转轴转动，两个密封环的摩擦面保持相互压紧状态；
保持转轴额定转速，以固定的压力阶梯将水流背压逐级升压至最高压力值；
在最高压力值保持转轴额定转速，直至检测到的摩擦系数、泄漏率、功率损失的波动幅度同时小于0.1％，停止转动。
8.如权利要求7所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，所述基础压力值为0.1～0.2MPa，所述最高压力值为基础压力值的125％～130％。
9.如权利要求7所述的制备处于超滑状态的水润滑机械密封面的方法，其特征在于，以基础压力值的5％～25％为压力阶梯，逐级增加水流背压，并在每一个压力平台上保持转轴转动大于等于2分钟，直至压力升高至最高压力值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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