CN110621923A - 滑动部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够提高润滑性及密封性的信赖性的滑动部件。一对滑动部件具有彼此相对滑动的滑动面，至少一侧的滑动面(S)具有随机地配置有多个凹痕的随机凹痕群(11)，随机凹痕群(11)在一侧的滑动面S的周向上偏向地配置。

Description

滑动部件
技术领域
本发明涉及例如机械密封件、滑动轴承以及其他适用于滑动部的滑动部件。特别涉及使流体介于滑动面以减少摩擦并且需要防止流体从滑动面泄漏的密封环或轴承等滑动部件。
背景技术
在作为滑动部件的一例的机械密封件中，所追求的是在维持密封性的同时，最大限度地降低旋转中的滑动摩擦。作为降低摩擦的方法，通过对滑动面实施多种多样的纹理加工来实现，例如，作为纹理加工的一种，已知有在滑动面排列凹痕的技术。
以往，在滑动面设有凹痕的情况下，一般是将多个凹痕排列配置。例如，日本特开2003-343741号公报(以下，称为“专利文献1”。)中所记载的发明，其目的是在降低滑动面的摩擦系数的同时提高密封能力，在该发明中，在滑动面规则地排列设置多个细长的凹痕，该多个细长的凹痕以边界基准线X为界、在内周侧和外周侧的倾斜方向不同，并使外周侧的凹痕的旋转方向前端朝向外周侧倾斜，且内周侧的凹痕的旋转方向前端朝向内周侧倾斜。
另外，以往，还已知为了提高润滑性而随机配置多个凹痕的方案。例如，日本特开2001-221179号公报(以下，称为“专利文献2”。)中所记载的发明是：在相对于旋转式压缩机的缸体的内壁滑动的叶片的前端面及两侧端面随机地排列有多个凹痕。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-343741号公报
专利文献2：日本特开2001-221179号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，关于专利文献1中所记载的发明，由于将凹痕排列配置，故而从泄漏侧向滑动面的吸入效果以及从被密封流体侧向滑动面的流入效果差，因此需要采用使外周侧的凹痕的旋转方向前端朝向外周侧倾斜、且使内周侧的凹痕的旋转方向前端朝向内周侧倾斜这样复杂的结构，另外，由于流体集中于滑动面的径向中心部，故而存在无法均匀地润滑整个滑动面的问题。
另外，专利文献2中所记载的发明只是为了提高润滑性而随机配置了多个凹痕，还存在不清楚凹痕的配置会如何影响润滑性能的问题。
本发明的目的在于，提供一种在随机配置多个凹痕的情况下能够明确凹痕配置与润滑性能之间的关系并且能够提高润滑性及密封性的滑动部件。
用于解决技术问题的手段
在滑动面随机配置有多个凹痕的滑动部件中，本发明的发明人对使用拉丁超立方抽样法的实验计划获得的200件配置条件进行数值实验，其结果是，得出了如下见解：凹痕的配置与润滑特性之间存在以下的关系。
还阐明了相对滑动的滑动面的扭矩与构成凹痕群的凹痕的角度方向标准偏差σθ相关(斯皮尔曼等级关系数0.595)。如图2所示，当角度方向标准偏差σθ小于1，更优选小于0.8时，提高了从滑动面的外周侧(被密封流体侧)向滑动面的流入特性，由于存在厚的液膜所以难以产生大的扭矩。此处，角度方向标准偏差σθ是通过构成排列凹痕群的凹痕的角度方向坐标的标准偏差将构成随机凹痕群的凹痕的角度方向坐标的标准偏差进行归一化而成的值，是表示凹痕群在角度方向上的分散程度的值。
关于本发明的滑动部件，利用上述见解来解决上述技术问题。
本发明的滑动部件是具有彼此相对滑动的滑动面的一对滑动部件，其特征在于，至少一侧的所述滑动面具有随机地配置有多个凹痕的随机凹痕群，
所述随机凹痕群在所述一侧的所述滑动面的周向上偏向地配置。
根据该特征，利用上述见解将随机凹痕群在滑动面的周向上偏向地配置，从而提高流体润滑效果，协同增大随机凹痕群具有的流体润滑效果，能够提供润滑性优异的滑动部件。此处，所谓流体润滑效果，是通过使流体从被密封流体侧流入滑动面且形成厚液膜从而提高润滑性的效果。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述随机凹痕群是所述多个凹痕从所述滑动面的内周部一直配置到外周部的带状体
根据该特征，由于是在滑动面的周向上偏向的带状体的随机凹痕群，因此能够提高流体润滑效果，协同增大随机凹痕群具有的流体润滑效果，能够提供密封性及润滑性优异的滑动部件。
本发明的滑动部件的特征在于，
所述随机凹痕群的角度方向标准偏差小于1。
此外，特征还在于，以使得所述随机凹痕群的角度方向标准偏差小于0.8的方式配置所述凹痕。
根据该特征，利用随机凹痕群的角度方向标准偏差能够确定润滑性优异的随机凹痕的凹痕配置。
本发明的滑动部件的特征在于，
具有将所述随机凹痕群在所述滑动面的周向上分离开的至少一个台面部。
根据该特征，沿周向流过随机凹痕群的流体被台面部拦住，从而能够得到更厚的流体被膜，能够防止滑动面的粗糙且能够提供密封性的信赖性优异的滑动部件。
所述滑动部件的特征在于，所述台面部是从所述滑动面的内周部一直到外周部的平坦面，且具有比所述随机凹痕群的周向宽度窄的周向宽度。
根据该特征，通过台面部将具有各种角度方向标准偏差的随机凹痕群分离开，从而在形成厚的流体被膜的同时，能够成为适用于各种转速、温度(粘度)的滑动部件。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1的机械密封件的一例的纵剖视图；
图2是用于说明本发明的原理的说明图，示出了滑动部件的滑动扭矩与角度方向标准偏差σθ之间的相关关系；
图3是图1的W-W向视图，示出了本发明实施例1的具有随机凹痕群的滑动部件的滑动面的一例，示出的是角度方向标准偏差σθ＝0.776时的情况；
图4是图1的W-W向视图，示出了本发明实施例1的具有随机凹痕群的滑动部件的滑动面的一例，示出的是角度方向标准偏差σθ＝0.896时的情况；
图5是图1的W-W向视图，示出了本发明实施例1的具有随机凹痕群的滑动部件的滑动面的一例，示出的是角度方向标准偏差σθ＝0.946时的情况；
图6是图1的W-W向视图，示出了本发明实施例2的具有随机凹痕群及台面部的滑动部件的滑动面的一例，示出的是角度方向标准偏差σθ＝0.776时的情况；
图7是图1的W-W向视图，示出了本发明实施例2的具有随机凹痕群及台面部的滑动部件的滑动面的一例，示出的是角度方向标准偏差σθ＝0.896时的情况；
图8是图1的W-W向视图，示出了本发明实施例2的具有随机凹痕群及台面部的滑动部件的滑动面的一例，示出的是角度方向标准偏差σθ＝0.946时的情况。
具体实施方式
下面，参照附图，基于实施例来示例性地说明用于实施本发明的方式。但是，该实施例中所记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，除非有特别明示的记载，否则并非旨在将本发明的范围仅限定于此。
实施例1
参照图1至图5，对本发明实施例1的滑动部件进行说明。
需要说明的是，在以下的实施例中，以滑动部件的一例、即机械密封件为例进行了说明，但是并不限定于此，例如也可以作为轴承的滑动部件来利用，该轴承的滑动部件一边在圆筒状滑动面的轴方向一侧对润滑油进行密封一边相对于旋转轴滑动。
需要说明的是，将构成机械密封件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(泄漏侧)来进行说明。
图1是示出机械密封件的一例的纵剖视图，是对要从滑动面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装形式，设有圆环状的旋转侧密封环3与圆环状的固定侧密封环5，其中，所述圆环状的旋转侧密封环3是一方的滑动部件，其经由套筒2而设于使高压流体侧的泵轮(图示省略)驱动的旋转轴1侧，且以能够与该旋转轴1一体地旋转的状态设置；所述圆环状的固定侧密封环5是另一方的滑动部件，其以非旋转状态且能够沿轴方向移动的状态设置于泵的壳体4；通过沿轴方向对固定侧密封环5施力的缠绕式波形弹簧6及波纹管7，在滑动面S彼此之间能够紧密接触地滑动。即，该机械密封件防止被密封流体在旋转侧密封环3与固定侧密封环5之间的相互的滑动面S从旋转轴1的外周侧向内周侧流出。
需要说明的是，在图1中示出了旋转侧密封环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，但是并不限定于此，在反过来的情况下当然也能够应用本发明。
旋转侧密封环3及固定侧密封环5的材质选自耐磨性优异的碳化硅(SiC)及自润滑性优异的碳等，例如可以两者均为SiC，或者是旋转侧密封环3为SiC、固定侧密封环5为碳的组合。
在相对滑动的旋转侧密封环3和固定侧密封环5的至少任意一方的滑动面中设置有凹痕。
在本发明中，“凹痕”是指在平坦的滑动面S中形成的凹坑，对其形状没有特别限定。例如，凹坑的俯视形状包括圆形、椭圆形、长圆形、或是长方形，凹坑的截面形状也包括碗状或者方形等各种形状。
在本例中，对在固定侧密封环5的滑动面S中随机配置多个凹痕的情况进行说明。在这种情况下，旋转侧密封环3中既可以不设有凹痕，也可以设有凹痕。需要说明的是，所谓随机配置，是指除具有规则性地配置的排列配置以外的配置，不包括交错配置。
由于在滑动面随机地配置有凹痕群，因此能够提高润滑和密封这一对相反的功能。此处，提高润滑功能和密封功能的机理如下。
当相对侧滑动面相对移动时，由于液体的粘性，流体被吸入至形成在滑动面中的凹痕的孔部，在孔部的上游侧部分产生负压、在下游侧部分由于楔形效应而产生正压。此时，在孔部的上游侧的负压部分，液膜破裂，形成由液体的蒸汽、气泡构成的空穴(空泡)，负压被抵消。其结果是，只剩下正压，产生负荷能力，由此滑动面S抬升。当滑动面S抬升时，相对滑动的2个滑动面的间隙变大，在滑动面S有润滑性的流体流入，能够得到润滑功能。
另外，被凹痕吸入的流体在凹痕内升压并且从凹痕排出。即，流体向凹痕内的吸入与升压了的流体从凹痕的排出连续地进行。而且，在随机配置多个凹痕时，被吸入至配置于滑动面的内周侧的凹痕中然后被排出的流体连续反复地进行被进一步吸入至配置于外径侧的凹痕中而后排出的过程，由此能够得到从内径侧向外径侧慢慢地运送流体的密封机能。
在图3中，固定侧密封环5的滑动面S被等分成多个划分区16(图3中是36个)，在各个划分区16中配置有多个凹痕10随机配置的随机凹痕群11。随机凹痕群11的多个凹痕10从滑动面S的内周部5a(泄漏侧)一直配置到外周部5b(被密封流体侧)，随机凹痕群11的外周部13成为与被密封流体侧直接接触的开口部。另外，随机凹痕群11的内周部12成为与泄漏侧直接接触的开口部。进一步地，随机凹痕群11在周向偏向地配置。在图3中，多个凹痕10以偏向周向一方的方式配置于划分区16，也可以以偏向划分区16的中央部的方式配置。由此，密集配置有凹痕10的部分与稀疏配置有凹痕10的部分在周向上周期性地配置。具体来说，以使得构成随机凹痕群11的凹痕10的角度方向标准偏差σθ小于1的方式配置于划分区16，且成为沿径向延伸的带状体。
此处，角度方向标准偏差σθ(归一化角度方向标准偏差)是通过构成均匀配置的排列凹痕群的凹痕的角度方向坐标的标准偏差σr将构成随机凹痕群11的凹痕10的角度方向坐标的标准偏差σ11进行归一化而得的值，如下式1所示。
角度方向标准偏差σθ＝随机凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σ11/排列凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σr(式1)
在各个随机凹痕群11中，当以使得角度方向标准偏差σθ小于1的方式配置时，提高了流体从被密封流体侧流入滑动面从而提高润滑性的效果(以下记为“流体润滑效果”。)，从而提高滑动面S的润滑性，防止大扭矩(滑动阻力)的产生。另外，当以使得角度方向标准偏差小于0.8的方式配置时，更进一步地提高流体润滑效果从而提高润滑性，防止滑动面S的表面粗糙且提高密封性的信赖性。在本发明中，将以使得角度方向标准偏差小于1的方式配置而成的随机凹痕群称为“润滑型随机凹痕群”。
在图3中，凹痕10并非只是随机地配置于各划分区16，而是按照下述顺序，凹痕10被随机地配置于划分区16。
(1)将凹痕10视为质点类的电子，根据作用于电子间的库仑力使用软件将多个凹痕10配置于区块内。
(2)通过软件操作虚拟力，为了在滑动面的周向偏向地配置凹痕10，通过软件操作虚拟力。
(3)根据在周向施加了偏移的凹痕的坐标，使用软件算出随机凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σ11。
(4)基于上述的式1，确认通过排列凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σr将随机凹痕群11的角度方向标准偏差归一化而得的角度方向标准偏差σθ是否小于1，若小于1则采用。
(5)在角度方向标准偏差σθ比1大的情况下，重复进行上述(2)至(4)的操作。
此处，对排列凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σr进行说明。在图3中，由于滑动面S被等分成36个划分区16，所以划分区16的中心角θc为10°，离划分区16的中心位置17的均等位置是2.5°的位置。由此，36等分时的排列凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σr为2.5°。划分区16的中心角θc的大小不是10°时也能够用相同的步骤计算排列凹痕群的角度方向坐标的标准偏差σr。
图4及图5是通过上述步骤确定的凹痕10的随机配置的一例。在图4的实施例中，配置于划分区26中的随机凹痕群21的角度方向标准偏差σθ为0.896；在图5的实施例中，配置于划分区36中的随机凹痕群31的角度方向标准偏差σθ为0.946。角度方向标准偏差σθ越小，则流体从被密封流体侧流入滑动面的流体润滑效果越高，越能够防止滑动面S的表面粗糙且提高密封性的信赖性。
需要说明的是，图3至图5的随机凹痕群11、21、31是示出凹痕10的随机配置的一例，即使是相同的角度方向标准偏差σθ，也存在无数不同的凹痕10的随机配置图案。
需要说明的是，在图3的情况下，滑动面S被等分成36个划分区16，在各个区块中配置有随机凹痕群11，但是并不限定于36等分，区块数量可以是1，也可以分割为2以上的自然数。
图3的36个随机凹痕群11全部具有相同的角度方向标准偏差σθ，但并不限于此，只要角度方向标准偏差小于1，也可以将具有不同角度方向标准偏差σθ的随机凹痕群11配置于划分区16中。对图4、图5的随机凹痕群21、31也一样。
另外，在图3至图5中，36个划分区16具有相同的中心角θc，但是并不限于此，也可以是具有不同中心角的多个划分区16。
实施例2
参照图6至图8，对本发明实施例2的滑动部件进行说明。
实施例2的滑动部件在具有将随机凹痕群在滑动面周向上分离的台面部这一点与实施例1的滑动部件不同，其他的基本构成与实施例1相同，对相同的部件标注相同的附图标记，并省略重复说明。
在图6中，在滑动面S中，固定侧密封环5的滑动面S被等分成多个划分区46(图6中为36个)，在各个划分区46中配置有随机凹痕群41与台面部45。另外，在通过上述方法将多个凹痕10配置于各个划分区46中构成随机凹痕群之后，排除若干个凹痕群以形成台面部，由此构成随机凹痕群41。随机凹痕群41中，多个凹痕10从滑动面S的内周部5a(泄漏侧)一直配置到外周部5b(被密封流体侧)，随机凹痕群41的外周部43成为与被密封流体侧直接接触的开口部。另外，随机凹痕群41的内周部42成为与泄漏侧直接接触的开口。进一步，随机凹痕群41在周向偏向地配置，具体来说，以使得构成随机凹痕群11的凹痕10的角度方向标准偏差σθ小于1的方式配置于划分区46中，成为沿径向延伸的带状体。另外，台面部45在从滑动面S的内周部5a(泄漏侧)到外周部5b(被密封流体侧)的全长范围内是具有比随机凹痕群41的周向宽度窄的周向宽度的平坦面。通过该台面部45，随机凹痕群41与相邻的其他随机凹痕群41分离。
构成了以使得配设于划分区46中的随机凹痕群41的角度方向标准偏差σθ为0.766的方式配置多个凹痕10而成的润滑型随机凹痕群41。由此，随机凹痕群41偏向于划分区16的周向一方而配置，提高了流体润滑效果且防止大扭矩(滑动阻力)的产生。
另外，由于相邻的随机凹痕群41之间被台面部45分离，所以流过随机凹痕群41的流体被台面部45拦住从而能够得到产生正的动压的效果(以下称为“动压产生效果”)，更进一步地提高了滑动面S的润滑性，防止滑动面S的表面粗糙且提高密封性的信赖性。
图7及图8是凹痕10的其他随机配置例。在图7的实施例中，随机凹痕群51的角度方向标准偏差σθ为0.896；在图8的实施例中，随机凹痕群61的角度方向标准偏差σθ为0.946。如图6至图8所示，角度方向标准偏差σθ越小，则随机凹痕群越偏向于滑动面S的周向一方配置，若角度方向标准偏差σθ小于1，优选小于0.8，则能够提高流体润滑效果，防止大扭矩(滑动阻力)的产生。
如上述说明，由于随机凹痕群41、51、61的角度方向标准偏差σθ小于1，所以提高了流体润滑效果，提高了滑动面S的润滑性。进一步，流过随机凹痕群41、51、61的流体被台面部45拦住从而能够得到动压产生效果，更进一步地提高了滑动面S的润滑性，防止滑动面S的表面粗糙且提高密封性的信赖性。
需要说明的是，在图6、图7的实施例中，滑动面S被等分成36个划分区46、56，在图8的实施例中，滑动面S被等分成24个划分区66，但是并不限定于此，划分区数量可以是1，也可以分割为2以上的自然数。
另外，在图6的实施例中，36个随机凹痕群41全部具有相同的角度方向标准偏差σθ，但并不限于此。例如，只要角度方向标准偏差小于1，也可以将具有不同的角度方向标准偏差σθ的随机凹痕群41沿滑动面的周向配置。对图7、图8的随机凹痕群51、61也一样。
进一步，在图6至图8中，划分区46、56、66具有分别相同的中心角θc，但不限于此，划分区46、56、66也可以形成为具有分别不同的多个中心角θc。
以上，通过实施例说明了本发明的实施方式，但是具体的构成并不限于这些实施例的方式，在不脱离本发明要旨的范围内即使进行变更、追加，也包含在本发明内。
例如，在实施例1及实施例2中，对将滑动部件用于机械密封件装置中的一对旋转用密封环及固定用密封环的至少任意一方的例子进行了说明，但是也可以作为一边在圆筒状滑动面的轴向一侧对润滑油进行密封一边相对于旋转轴滑动的轴承的滑动部件进行利用。
另外，在实施例1及实施例2中，将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(泄漏侧)进行了说明，但是本发明并不限定于此，也能够适用于将滑动部件的外周侧作为低压流体侧(泄漏侧)、将内周侧作为高压流体侧(被密封流体侧)的情况。
附图标记的说明
1 旋转轴
2 套筒
3 旋转侧密封环
4 壳体
5 固定侧密封环
6 缠绕式波形弹簧
7 波纹管
10 凹痕
11 随机凹痕群
16 划分区
17 划分区的中心位置
21 随机凹痕群
26 划分区
31 随机凹痕群
36 划分区
41 随机凹痕群
45 台面部
46 划分区
51 随机凹痕群
55 台面部
56 划分区
61 随机凹痕群
66 划分区
S 滑动面

Claims (6)

1.一种滑动部件，是具有彼此相对滑动的滑动面的一对滑动部件，其特征在于，至少一侧的所述滑动面具有随机地配置有多个凹痕的随机凹痕群，
所述随机凹痕群在所述一侧的所述滑动面的周向上偏向地配置。
2.根据权利要求1所述的滑动部件，其特征在于，
所述随机凹痕群是所述多个凹痕从所述滑动面的内周部一直配置到外周部的带状体。
3.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，
所述随机凹痕群的角度方向标准偏差小于1。
4.根据权利要求1或2所述的滑动部件，其特征在于，
所述随机凹痕群的角度方向标准偏差小于0.8。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
具有将所述随机凹痕群在所述滑动面的周向上分离开的至少一个台面部。
6.根据权利要求5中任一项所述的滑动部件，其特征在于，
所述台面部是从所述滑动面的内周部一直到外周部的平坦面，且具有比所述随机凹痕群的周向宽度窄的周向宽度。
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