具有储油微孔耐磨面的浮动油封技术领域
本发明涉及机械领域，特别是涉及一种用于机械设备中浮动端面密封的具有储油微孔耐磨面的浮动油封。
背景技术
浮动油封应用于浮动端面密封，是一种用量大、用途广（全国年需用量近亿件）的机械密封，这种密封组件是由两个金属浮动端面密封环（简称浮动油封）和两个“O”型橡胶密封圈装配在专用密封腔体——浮封座内而构成的。其金属密封面具有耐磨、耐冲击、一定的自适应性、寿命长、结构简单、价廉，维修保养更换方便等特点，在矿山、工程机械、建筑机械、农用机械、运输机械、深井钻机、井下采掘机械的密封结构中得到广泛使用。由于浮动油封的使用环境的特殊，因此其属于易损部件。外露的安装位置，安装调试人员的技能，环境温度，润滑油的性能等因素都对它的使用寿命有直接影响。
目前浮动油封一般使用寿命都在4000小时以下，部分昂贵合金制造的油封使用寿命可以达到5000小时，寿命普遍比较短。而在安装、环境工况等要素都满足工作条件的前提下，决定浮动油封环使用寿命的关键要素：是两个摩擦副润滑油膜的形成能力、抗变稳固能力和构成这两个摩擦副的原材料自身抗磨能力。
目前，浮动油封摩擦面（也称工作面、耐磨面）一般被称之为“亮带”，顾名思义，对于油封的摩擦面一般会进行研磨抛光等处理，使之具有较高的光滑度，以减少摩擦阻力，因而其表面会因光滑度很高而反光。然而无论如何提高光滑度，如何降低摩擦阻力，浮动油封的使用寿命仍然较短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是针对上述背景技术的不足，提供一种具有储油微孔耐磨面的浮动油封，促使工作面能够较易形成油膜，而且，油膜抗变稳固，有效提高工作面的耐磨损度。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种具有储油微孔耐磨面的浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体，所述一对密封环体的相对的两个端面分别设置有耐摩擦组件，两个耐摩擦组件形成一对对位配合的摩擦副，所述摩擦副的耐摩擦组件中的一个或两个的耐摩擦工作面具有微坑或微沟槽织构化结构，其表面具有广布的微凹陷，所述微凹陷为微坑或微沟槽，用于储存润滑油、脂等润滑物质，使耐摩擦工作面表面能够形成一层油膜。
在上述技术方案中，所述微凹陷的深度不超过30-100μm。
在上述技术方案中，所述摩擦副的一个耐摩擦组件为平面摩擦组件，其摩擦工作面为平面，其最小宽度大于浮动油封装配时所允许的最大中心偏心距离，另一个耐摩擦组件为锐面摩擦副组件，其截面为一侧窄一侧宽的形状，窄侧的窄线型端面为工作面，平面摩擦组件的摩擦面进行了微坑或微沟槽织构化处理；或者两个耐摩擦组件均为平面摩擦组件，其一个或两个的摩擦面进行了微坑或微沟槽织构化处理。
在上述技术方案中，所述锐面摩擦组件的摩擦工作面宽度为0.3~1.5mm。
在上述技术方案中，所述锐面摩擦组件的截面为半椭圆形或梯形。
在上述技术方案中，所述摩擦副采用氧化铝陶瓷材料或其它工程陶瓷材料制成，优选采用氧化铝含量75%~99%、原晶粒度小于0.5~1μm的氧化铝陶瓷粉料，干压、等静压成型后，毛坯1200~1700℃高温烧结而成。陶瓷材料烧结成瓷后自然形成的“天生缺陷”——微坑，正是摩擦工作表面所需的，可用于储存润滑油、脂促进油膜形成、改善润滑条件的微型储油池。甚至要提供必需的外界条件和手段，人为有目的性地让陶瓷材料烧结后，形成有规律排列的，表面含有大量开口、表里孔隙闭口的陶瓷体。
在上述技术方案中，所述摩擦副采用含有改性纳米级陶瓷晶粒作为第二相质点弥散强化后的金属材料制成，陶瓷晶粒的含量为0.1%~4%。
在上述技术方案中，所述陶瓷晶粒的颗粒粒度不超过60nm，陶瓷晶粒的颗粒粒度优选10~30nm。
在上述技术方案中，所述摩擦副内改性纳米级陶瓷晶粒为A12O3陶瓷晶粒或ThO2陶瓷晶粒或Y2O3陶瓷晶粒或上述陶瓷晶粒的组份混合体，优选纯度在99%以上的改性纳米级A12O3陶瓷晶粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的有益效果在于：本发明采用微坑或微沟槽织构化处理的摩擦面，能够使浮动油封在使用时有利于润滑油膜的形成，从而降低摩擦磨损，提高密封性能，起到减磨、密封的效果，提高浮动油封的使用寿命；本发明在摩擦面设置微坑或微沟槽后，在富油润滑条件或混合润滑条件下，微坑或微沟槽可以充当微小流体动压润滑轴承，从而产生附加流体动压力，不但便于散热，还能使浮动油封能适用较高的线速度，拥有较长的使用寿命；微坑或微沟槽还可以作为微储油池，润滑系统内不断运动的油、脂，在油楔动力的作用下，向摩擦副表面不断提供润滑油、脂，有利于油膜的再生、稳固，使得摩擦表面能够持续处于理想润滑状态，避免“干磨”；即使在干摩擦条件下，微坑或微沟槽可以容纳因磨损产生的微小磨粒，从而降低由于磨粒在摩擦面摩擦而产生的高磨损。
附图说明
图1为本发明平面摩擦副浮动油封的结构示意图；
图2为本发明浮动油封摩擦副工作面的局部放大结构示意图；
图3为本发明窄线面摩擦副浮动油封的结构示意图；
其中，1-密封环体、2-摩擦副、2a-平面摩擦副组件、2b-锐面摩擦组件、3-微凹陷。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
如图1所示，本发明所设计的具有储油微孔耐磨面的浮动油封，包括上、下结构对称的一对密封环体1，密封环体1的相对的两个端面分别设置有摩擦组件，两个摩擦组件形成一对对位配合的摩擦副2。
如图2所示，本发明的摩擦副2的摩擦组件中的一个或两个的摩擦面进行了微坑或微沟槽织构化处理，其表面具有广布的微凹陷3，所述微凹陷3为微坑或微沟槽，用于储存润滑油、脂等润滑物质，使耐摩擦工作面表面能够形成一层油膜。所述微凹陷3优选为深度不超过30-100μm的微坑或微沟槽。
如图1和图3所示，本发明设计的摩擦副2可采用如下两种结构：所述摩擦副2的一个耐摩擦组件为平面摩擦组件2a，其摩擦工作面为平面，其最小宽度大于浮动油封装配时所允许的最大中心偏心距离，另一个耐摩擦组件为锐面摩擦副组件2b，其截面为一侧窄一侧宽的形状，窄侧的窄线型端面为工作面；或者两个耐摩擦组件均为平面摩擦组件2a。具有一个锐面摩擦组件2b的浮动油封我们称之为窄线、面摩擦副浮动油封，而两个摩擦组件均为平面摩擦组件2a的浮动油封我们可以称之为平面摩擦副浮动油封。
对于平面摩擦副浮动油封，我们可以选择一个摩擦面进行微坑或微沟槽织构化处理，也可以对两个摩擦面均进行微坑或微沟槽织构化处理。对于窄线、面摩擦副浮动油封，我们则优选对其平面摩擦组件2a的摩擦面进行微坑或微沟槽织构化处理。
发明人对现有浮动油封进行了大量研究，对比了各种油封在工艺和使用寿命的区别后，总结出了如下理论，设计了本发明。发明人发现摩擦副的表面并非越光滑越好，具有一定表面孔隙或纹理的摩擦副表面反而能够在工作状态下，便于润滑油、脂能够顺利进入工作表面并形成一层润滑油膜，相当于降低了摩擦系数，还为润滑系统增加了一道柔性密封圈，从而降低摩擦磨损和摩擦生热，提高密封性能。针对浮动油封的摩擦副2，如果表面已经具有微坑或微沟槽织构，则能为润滑油、脂提供存储空间，更有利于油膜的形成，起到润滑减磨、密封的作用，提高浮动油封的使用寿命。这个表面油膜对浮动油封十分重要，如果没有表面油膜，会加速高磨损发生，密封油、脂就会加速泄漏，泄漏加剧了摩擦磨损，导致机械构件功能失效。发明人经过大量对比实验，发现采用相同的材质和后续机加工工艺手段，铸造油封或采用粉末冶金制造的油封，使用寿命会比锻造油封更长。虽然锻造油封的材料分子结构更致密，所以摩擦面微观上明显比铸造件或者粉末冶金件表面更光滑。进一步研究后，发明人发现铸造毛坯制造的油封或采用粉末冶金毛坯制造的油封，其摩擦表面会具有自然形成的微坑织构或者微沟槽织构，虽然其摩擦表面微观上的光滑度相对较差，但是实际使用时，其表面能够容纳进润滑油、脂，形成一层油膜，在摩擦时体现了油、脂的润滑减摩作用，因而耐磨效果比锻造件更好。锻造件经机加工后更容易获得光滑表面，虽然摩擦系数较低，摩擦阻力低，但是在实际使用时，两个摩擦面往往贴合十分紧密，即使在富油状态下，运行一段时间后润滑油、脂便会被两个摩擦面挤出，使得摩擦面经常处于干磨的状态，加速了摩擦磨损，导致使用寿命较低。
发明人经过研究，总结出采用表面织构处理后，摩擦面具有三大优势：1）在富油润滑条件或混合润滑条件下，微坑或微沟槽可以充当微小流体动压润滑轴承，从而产生附加流体动压力；2）微坑或微沟槽可以作为微储油池向摩擦副表面提供润滑油，起到二次润滑的效果，这比单纯的富油润滑效果更好；3）即使干摩擦条件下，微坑或微沟槽可以容纳因磨损产生的微磨粒，从而降低由于磨粒产生的高磨损。
本发明优选采用窄线、面摩擦副浮动油封，其结构能够使得摩擦副2在对位工作时有较大的装配余量，即便是安装有误差，没有保证同轴，以及静置状态时产生偏心位移，都能保证线、面接触，保持摩擦副的接触质量和密封效果，使得油封具有较好的耐磨性能和较高的使用寿命。特别是在摩擦面进行微坑或微沟槽织构化处理后，窄线、面摩擦副浮动油封的摩擦面采用线接触，能够极大地保证油封处于富油润滑的状态，油膜的形成更为稳固，效果更佳。
进一步地，为提高使用寿命，所述锐面摩擦组件2b的截面为半椭圆形或梯形，优选采用梯形结构。这样加工时为平面加工，加工成本会更低。所述锐面摩擦组件2b的摩擦工作面宽度优选为0.3~1.5mm。
为进一步提高使用寿命，所述摩擦副2采用氧化铝陶瓷材料或其它工程陶瓷材料制成。在线接触的摩擦状态下，摩擦副的线/面组合结构，相对于面/面组合结构，减少了摩擦接触面，提高了两个摩擦副的接触质量和密封润滑效果，相当于降低了摩擦系数，有效降低摩擦副的发热量，降低润滑油、脂分解汽化的不利因素，促进理想润滑状态的形成，那么摩擦产生的发热量就相对小，完全能被润滑油、脂导出，因而选择导热系数较差的陶瓷材料，也不会产生因导热不良，温度快速升高的问题。所述摩擦副2采用氧化铝含量75%~99%、原晶粒度小于0.5~1μm的氧化铝陶瓷粉料，干压、等静压成型后，毛坯1200~1700℃高温烧结而成，毛坯烧结温度优选为1400~1650℃。这样制备出来的陶瓷材料的摩擦副2硬度更大，耐磨性能最优，使用寿命也最长。加工出的陶瓷材料的摩擦副2可以采用过盈配合或者粘接的方式固定在密封环体1的端面。陶瓷材料烧结成瓷后自然形成的“天生缺陷”——微坑，正是摩擦工作表面所需的，可用于储存润滑油、脂促进油膜形成、改善润滑条件的微型储油池。甚至可以采用必需的外界条件和手段，人为有目的性地让陶瓷材料烧结后，形成有规律排列的，表面含有大量开口、表里孔隙闭口的陶瓷体。
本发明的摩擦副2构件以及整个浮动油封环体1还可采用含有改性纳米级陶瓷晶粒作为第二相质点弥散强化后的金属材料制成，改性纳米级陶瓷晶粒的含量为0.1%~4%.这样一来可以直接采用铸造或者粉末冶金的制造方式，将摩擦副2和密封环体1一体化成型，如果摩擦副表面微坑组织不良，再进行表面织构优化处理，使表面微坑组织的尺寸、形态、排列、数量达到可控性。相较于陶瓷材料的工件，加工和生产成本会更低。在制造时，只需将事先购置的改性纳米级陶瓷晶粒均匀混入金属材料中既可，除非对称结构会加开一套模具外，后续的生产加工过程和现有油封几乎没有区别。弥散化分布的改性纳米级陶瓷晶粒能够有效提高金属的机加工性能，其强度、耐磨性能等均会有较大幅度提高，而且导热性能几乎不会有任何变化，虽然耐磨性不如陶瓷材料，但导热性、韧性都更好，而且加工成本更低。
为提高弥散强化效果，所述改性纳米级陶瓷晶粒的颗粒粒度不超过60nm，改性纳米级陶瓷晶粒的颗粒粒度优选为10~30nm。所述摩擦副2内改性纳米级陶瓷晶粒可采用A12O3陶瓷晶粒或ThO2陶瓷晶粒或Y2O3陶瓷晶粒或上述陶瓷晶粒的组份混合体。发明人研究发现，陶瓷晶粒优选采用纯度在99%以上的改性纳米级A12O3陶瓷晶粒。
在实际生产过程中，也可以单对平面摩擦组件2a采用高强度的材料，比如上述提及的陶瓷材料或者弥散强化的金属材料等，以保证在偏心运行时，平面摩擦组件2a的摩擦面能够不易损坏，保持理想润滑状态。
本发明可以采用铸造或粉末冶金工艺，以弥散强化后的金属材料为原料来制备摩擦副组件，而后以薄板冲压或者注塑方式制造金属密封环体或塑料密封环体，最后装配完成。也可以采用一体化成型的方式：直接以铸造的方式，以弥散强化后的金属材料为原料铸造成型；直接以粉末冶金的方式，以弥散强化后的金属材料为原料干压烧结成型。采用铸造或粉末冶金工艺其摩擦表面会具有自然的微坑或微沟槽织构，如果摩擦副表面微坑组织不良，再进行表面织构优化处理。本发明还可以采用锻造的方式制造摩擦副构件以及整个浮动油封环体，而后采用机械制造、表面抛丸处理、等离子刻蚀、电子束刻蚀、电火花加工、激光加工、化学腐蚀等方式对摩擦表面进行织构化处理。织构化处理的微凹陷3的微观形状可以是壁虎脚结构、管阵结构、翘片结构、凸凹点阵结构，也可以是纤维烧结毡结构、疏水沟等结构。
本发明的核心是在浮动油封的摩擦面进行织构化处理和/或表面织构优化处理，使其具有微坑或微沟槽，以达到利于在油封的摩擦面形成油膜，提高油封的密封形成和润滑效果，增强耐磨性能，延长使用寿命的目的。因此，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，在本发明原理的基础上，任何利用上述机理的改变或变形，均属于本发明的保护范围。