CN107208805B - 滑动部件 - Google Patents

Abstract

在滑动面中，在高压流体侧利用动压效果使液膜变厚来提高流体润滑性，并且在低压流体侧使液膜变薄来抑制泄漏。一种滑动部件，在一对滑动部件的彼此相对滑动的至少一方侧的滑动面配置有多个凹坑(10)，上述滑动部件的特征在于，多个凹坑(10)设置为相互与其它凹坑独立，多个凹坑(10)的面积比率设定为，与滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

Description

滑动部件

技术领域

本发明涉及例如适用于机械密封、轴承等滑动部的滑动部件。尤其涉及在滑动面存在流体来使摩擦降低，并且需要防止流体从滑动面泄漏的密封环或者轴承等滑动部件。

背景技术

在作为滑动部件的一例的机械密封中，为了长期维持密封性，必须兼顾“密封”和“润滑”两个相反的条件。特别是在近年，由于环境措施等，为了实现防止被密封流体的泄漏的同时，使机械损耗降低，而进一步提高了低摩擦化的要求。作为低摩擦化的方法，通过对滑动面实施各种纹理而实现，例如，作为纹理之一，已知在滑动面排列凹坑的技术。

例如，日本特开平11－287329号公报(以下称为“专利文献1”。)所记载的发明中，通过在滑动面形成深度不同的多个凹坑，从而因滑动时在介于与对象滑动面之间的流体所产生的流体轴承压力而引起的负载能力伴随流体温度的变化即使在一部分凹坑减少，也在其它凹坑增大，因此能够得到如下效果，即，负载能力稳定，与温度变化无关地、总是维持良好的滑动性。

另外，日本特开2000－169266号公报(以下称为“专利文献2”。)所记载的发明中，在烧结而成的由陶瓷材料构成的基材的表面形成蒸镀硬质皮膜而成的滑动面，并做成在该滑动面具有多个凹坑的结构，由此实现耐磨损性的提高，并且实现由凹坑带来的液体润滑性的提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11－287329号公报

专利文献2：日本特开2000－169266号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1所记载的发明为了与温度变化无关地总是维持良好的滑动性，而着眼于在滑动面所设置的凹坑的深度，未进行用于兼顾密封和润滑这相反的条件的考察。

另外，专利文献2所记载的发明通过在滑动面设置凹坑来实现液体润滑性的提高，但与专利文献1相同，未进行用于兼顾密封和润滑这相反的条件的考察。

一般地，渗透性(渗透性材料)以及凹坑(任意加工的凹陷部)出于提高动压效果带来的流体润滑性的目的而使用，但另一方面存在增加泄漏量的可能性。

另外，若为减少泄漏而以使液膜变薄的方式减小渗透性以及凹坑的数量，则滑动面容易接触而引起磨损。

特别地，在滑动面，磨损的部位为泄漏侧(低压流体侧)。为了进行密封而需要使滑动面的液膜变薄，但同时低压流体侧的润滑变得不足，容易引起直接接触。

本发明的目的在于提供一种滑动部件，在滑动面，根据动压效果，在高压流体侧使液膜变厚来提高流体润滑性，并且在低压流体侧使液膜变薄来抑制泄漏，由此能够兼顾密封和润滑这相反的条件。

用于解决课题的方案

为了实现上述目的，第一，本发明的滑动部件在一对滑动部件的彼此相对滑动的至少一方侧的滑动面配置有多个凹坑，上述滑动部件的特征在于，多个上述凹坑设置为相互与其它凹坑独立，多个上述凹坑的面积比率设定为，与上述滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

根据该特征，在滑动面的高压流体侧利用动压效果而成为流体润滑，在低压流体侧抑制泄漏，并且在凹坑保持流体来抑制液膜不足，能够防止直接接触引起的磨损，因此能够实现滑动面的密封和润滑的兼顾。

另外，第二，在第一特征中，本发明的滑动部件的特征在于，开口径不同的多个凹坑以随机分布的方式配置，其配置密度设定为，与上述滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

根据该特征，能够在滑动面的轴承特性数较大的范围实现滑动特性的提高、即摩擦系数的降低。

另外，第三，在第二特征中，本发明的滑动部件的特征在于，多个上述凹坑的开口径设定于10～500μm的范围。

根据该特征，能够在滑动面的轴承特性数较大的范围更进一步提高滑动特性。

另外，第四，在第一特征中，本发明的滑动部件的特征在于，多个上述凹坑的开口径设定为大致相同，多个上述凹坑的配置密度设定为，与上述滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

根据该特征，制作容易。

另外，第五，在第一至第四任一特征中，本发明的滑动部件的特征在于，多个上述凹坑的面积比率为30～50％。

根据该特征，能够实现滑动面的密封和润滑的兼顾。

另外，第六，在第一至第五任一特征中，本发明的滑动部件的特征在于，多个上述凹坑的深度设定于50～10000nm的范围。

根据该特征，能够降低滑动面的摩擦系数。

另外，第七，在第一至第六任一特征中，本发明的滑动部件的特征在于，多个上述凹坑的深度设定于50～1000nm的范围。

根据该特征，能够使滑动面的极低速度下的滑动特性变得良好。

发明的效果

本发明起到以下那样的优异的效果。

(1)在滑动面的高压流体侧利用动压效果而成为流体润滑，在低压流体侧抑制泄漏，并且，在凹坑保持流体来抑制液膜不足，能够防止直接接触引起的磨损，因此能够实现滑动面的密封和润滑的兼顾。

(2)开口径不同的多个凹坑以随机分布的方式配置，其配置密度设定为，与滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小，从而能够在滑动面的轴承特性数较大的范围实现滑动特性的提高、即、摩擦系数的降低。

(3)多个凹坑的开口径设定于10～500μm的范围，从而能够在滑动面的轴承特性数较大的范围更进一步提高滑动特性。

(4)多个凹坑的开口径设定为大致相同，多个凹坑的配置密度设定为，与滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小，从而能够容易地制作能够实现滑动面的密封和润滑的兼顾的滑动部件。

(5)多个凹坑的面积比率为30～50％，从而能够实现滑动面的密封和润滑的兼顾。

(6)多个凹坑的深度设定于50～10000nm的范围，从而能够降低滑动面的摩擦系数。

(7)多个凹坑的深度设定于50～1000nm的范围，从而能够使滑动面的极低速度下的滑动特性变得良好。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的机械密封的一例的纵剖视图。

图2是用于说明本发明的实施例1的滑动部件的滑动面的一例的图，(a)是滑动面的俯视图，(b)是A－A剖视图，(c)是B－B剖视图。

图3是说明凹坑所具有的功能的说明图。

图4是放大了本发明的实施例1的滑动部件的滑动面的一部分的俯视图。

图5是放大了本发明的实施例2的滑动部件的滑动面的一部分的俯视图。

具体实施方式

以下参照附图，基于实施例而例示性地说明用于实施本发明的方式。但是，该实施例所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等除非另有明确规定，否则并非意在将本发明的范围仅限定于此。

实施例1

参照图1至图4，对本发明的实施例1的滑动部件进行说明。此外，在以下的实施例中，以作为滑动部件的一例的机械密封为例进行说明，但并不限定于此，例如，也能够作为在圆筒状滑动面的轴向一方侧密封润滑油并与旋转轴滑动的轴承的滑动部件来使用。

此外，将构成机械密封的滑动部件的外周侧作为高压流体侧(被密封流体侧)、将内周侧作为低压流体侧(大气侧)来进行说明，但本发明并不限定于此，在高压流体侧和低压流体侧相反的情况下也能够应用。

图1是表示机械密封的一例的纵剖视图，是对欲从滑动面的外周朝向内周方向泄漏的高压流体侧的被密封流体进行密封的形式的内侧形式，设有作为一个滑动部件的圆环状的旋转侧密封环3和作为另一个滑动部件的圆环状的固定侧密封环5，旋转侧密封环3在使高压流体侧的泵叶轮(图示省略)驱动的旋转轴1侧设为经由套筒2而能够与该旋转轴1一体地旋转的状态，固定侧密封环5以非旋转状态而且能够沿轴向移动的状态设于泵的壳体4，利用沿轴向对固定侧密封环5进行施力的螺旋波纹弹簧6以及波纹管7，在通过研磨等被镜面抛光成的滑动面S彼此紧密接触滑动。即、该机械密封防止被密封流体在旋转侧密封环3与固定侧密封环5彼此的滑动面S从旋转轴1的外周向大气侧流出。

此外，图1表示旋转侧密封环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，不言而喻，在相反的情况下也能够应用本发明。

旋转侧密封环3以及固定侧密封环5的材质选自耐磨损性优异的碳化硅(SiC)以及自润滑性优异的碳等，但是，例如也能够两者均为SiC，或者是旋转侧密封环3为SiC而固定侧密封环5为碳的组合。

如图2所示，在相对滑动的旋转侧密封环3和固定侧密封环5的至少任一个滑动面配设有凹坑10。

在本例中，在固定侧密封环5的滑动面S上配设有多个凹坑10。该情况下，在旋转侧密封环3上，既可以不设置凹坑，也可以设置凹坑。

在图2中，滑动部件1的剖面形状如图1(c)所示地呈凸形状，其顶面构成平坦的滑动面S。在该滑动面S上独立地设有图1(b)所示的多个凹坑10。这些凹坑10并非设于滑动面S的径向的整个宽度，而是设于除了在低压流体侧以平坦的台面部R以固定宽度残留于整周的方式形成的低压流体侧密封面IS以外的部分。在滑动面S的高压流体侧，凹坑10可以设置至缘部。

在本发明中，“凹坑”是形成于平坦的滑动面S的凹陷，其形状没有特别限定。例如，凹陷的平面形状包含圆形、椭圆形、长圆形、或者多边形等各种形状，凹陷的剖面形状也包含碗状、或者方形等各种形状。

并且，形成于滑动面S的多个凹坑10具有保持作为流体力学的润滑液膜而存在于该滑动面S与相对滑动的对象侧滑动面之间的液体的一部分而使润滑液膜稳定化的功能。

各凹坑10均能够视为构成图3所示那样的瑞利台阶。

在图3中，在固定侧密封环5的滑动面S(R)形成有在与图的剖面正交的方向延伸的瑞利台阶10a，旋转侧密封环3的滑动面S平坦地形成。若旋转侧密封环3在箭头所示的方向相对移动，则存在于两滑动面间的流体由于其粘性而欲在箭头方向上追随移动，此时，通过瑞利台阶10a的存在而产生动压(正压)。由于动压的产生，滑动面间的润滑液膜增大，润滑性能提高。根据动压效果，润滑性能提高，另一方面，存在泄漏量增大的可能性，若为了减小泄漏量而以使润滑液膜变薄的方式减少凹坑的数量，则滑动面S容易接触而引起磨损。

图4是放大了滑动面S的一部分的俯视图，表示如下状态：在滑动面的除了低压流体侧密封面IS以外的部分随机地配置有多个凹坑10，多个凹坑10的面积比率设定为，与滑动面S的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

在此，“多个凹坑的面积比率”是指凹坑的开口面积占滑动面S的设置凹坑的部分的面积的总和。

另外，“面积比率设定为，与滑动面S的高压流体侧相比，在低压流体侧较小”是指，在滑动面S的周向的所有部分，设定单位周长L的面积比率为，与高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

此外，并不限于面积比率在滑动面S的径向上连续地变化的情况，也包含不连续地变化的情况。

另外，“高压流体侧”以及“低压流体侧”表示滑动面S的径向的一侧(侧(side))，在将宽度的除了低压流体侧密封面IS的径向的宽度以外的部分设为B的情况下，高压流体侧的滑动面与低压流体侧的滑动面的区分以B的中间点即B/2这一点为基准。

各凹坑10的大小(例如直径)既可以全部相同，也可以全部不同，或者也可以一部分相同而一部分不同，总之，多个凹坑10的面积比率设定为，与滑动面S的高压流体侧相比，在低压流体侧较小即可。

在图4中，在低压流体侧设有以平坦的台面部R以固定宽度残留于整周的方式形成的低压流体侧密封面IS，在滑动面的除了该低压流体侧密封面IS以外的部分，开口径不同的多个凹坑10以相互与其它凹坑独立地随机分布的方式配置，多个凹坑10的面积比率设定为，与滑动面S的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

为了实现密封和润滑的兼顾，多个凹坑10的面积比率优选设定为30～50％。

若对在滑动面加工凹坑的方法的一个例子进行说明，则如下所述。

(1)使用随机数在金属掩模上决定要开的孔的直径和位置。

(2)按照所决定的直径和位置在金属掩模上通过激光加工等来开孔。

(3)将随机地开了孔的金属掩模设置在作为对象的滑动部件的滑动面上。

(4)从金属掩模的上方照射飞秒激光或者皮秒激光、通过离子蚀刻等并利用金属掩模的孔而在滑动面形成凹坑。在滑动面上，获取规定的分布而同样地配置开口径不同的凹坑。

开口径不同的多个凹坑10的随机分布与滑动面的轴承特性数G(流体的粘度×速度/载荷)等相应地设定，但在本例中设定为，开口径优选分布于10～500μm的范围，更优选分布于30～100μm的范围。因此，流体润滑转变点向低G侧移位并且流体润滑转变点的摩擦系数下降，另外，摩擦系数在较大范围的转速区域降低。

另外，多个凹坑10的深度例如从降低摩擦系数的方面出发，优选设定于50～10000nm的范围内，但在重视极低速度下的滑动特性的情况下，优选设定于50～1000nm的范围内，更优选设定于50～500nm的范围内。

实施例1的滑动部件起到如下效果。

(1)多个凹坑10的面积比率设定为与滑动面S的高压流体侧相比、在低压流体侧较小，从而在滑动面S的高压流体侧利用动压效果而成为流体润滑，在低压流体侧抑制泄漏，并且在凹坑10保持流体而抑制液膜不足，能够防止直接接触引起的磨损，因此能够实现滑动面的密封和润滑的兼顾。

(2)开口径不同的多个凹坑10以随机分布的方式配置，其配置密度设定为，与滑动面S的高压流体侧相比，在低压流体侧较小，从而能够在滑动面的轴承特性数G较大的范围实现滑动特性的提高、即摩擦系数的降低。

(3)多个凹坑10的面积比率为30～50％，从而能够实现滑动面S的密封和润滑的兼顾。

(4)多个凹坑的开口径优选设定于10～500μm的范围，更优选设定于30～100μm的范围，从而流体润滑转变点向低G侧移位，并且流体润滑转变点的摩擦系数下降，另外，能够在较大的范围的转速区域降低摩擦系数。

(5)多个凹坑10的深度设定于50～10000nm的范围，从而能够降低滑动面S的摩擦系数。

(6)多个凹坑10的深度优选设定于50～1000nm的范围，更优选设定于50～500nm的范围，从而能够使滑动面的极低速度下的滑动特性变得良好。

实施例2

参照图5对本发明的实施例2的滑动部件进行说明。

在实施例2中，多个凹坑的开口径设定为大致相同这一点与实施例1不同，其它结构与实施例1相同，省略重复的说明。

在图5所示的实施例2中，多个凹坑11的开口径设定为大致相同，凹坑11的配置密度设定为，与滑动面S的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

多个凹坑11的配置形态既可以随机分布，或者也可以有规则地分布。

图5中，在低压流体侧以平坦的台面部R以一定宽度残留于整周的方式形成有低压流体侧密封面IS，在其外周侧的附近所设的凹坑11沿周向以有规则的间隔而配置，其它部分的凹坑11随机分布。另外，在低压流体侧的滑动面，在径向的中间部具有未设凹坑11的部分。

实施例2的滑动部件除了起到与实施例1相同的效果以外，由于多个凹坑11的开口径设定为大致相同，因此制作容易。

以上，根据附图对本发明的实施例进行了说明，但具体的结构并不限于这些实施例，在不脱离本发明的主旨的范围内即使进行变更、追加，也包含于本发明中。

例如，在上述实施例中，对将滑动部件用于机械密封装置中的一对旋转用密封环以及固定用密封环的任一个的例子进行了说明，但也能够作为在圆筒状滑动面的轴向一方侧密封润滑油并与旋转轴滑动的轴承的滑动部件来使用。

另外，例如，在上述实施例中，对在外周侧存在高压的被密封流体的情况进行了说明，但也能够适用于内周侧为高压流体的情况。

另外，例如，在上述实施例1中，对开口径不同的多个凹坑随机分布的情况进行了说明，在上述实施例2中，对开口径大致相同的多个凹坑随机以及有规则地配置的情况进行了说明，这些都表示优选的例子，并不限定于此，例如，也可以从高压流体侧朝向低压流体侧有规则地配置开口径逐渐变小的多个凹坑。

符号的说明

1—旋转轴，2—套筒，3—旋转环，4—壳体，5—固定环，6—螺旋波纹弹簧，7—波纹管，10—凹坑，11—凹坑，S—滑动面，R—台面部，IS—低压流体侧密封面。

Claims (7)

1.一种滑动部件，在一对滑动部件的彼此相对滑动的至少一方侧的滑动面配置有多个凹坑，上述滑动部件的特征在于，

多个上述凹坑设置为相互与其它凹坑独立，多个上述凹坑的面积比率设定为，与上述滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小，并且

上述多个凹坑开口径不同且以随机分布的方式配置，其配置密度设定为，与上述滑动面的高压流体侧相比，在低压流体侧较小。

2.根据权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，

多个上述凹坑的开口径设定于10～500μm的范围。

3.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，

多个上述凹坑的面积比率为30～50％。

4.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，

多个上述凹坑的深度设定于50～10000nm的范围。

5.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，

多个上述凹坑的深度设定于50～1000nm的范围。

6.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，

多个上述凹坑的面积比率为30～50％，深度设定于50～10000nm的范围。

7.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，

多个上述凹坑的面积比率为30～50％，深度设定于50～1000nm的范围。