CN110883612A - 核主泵主轴机械密封波形端面静环及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核主泵主轴机械密封波形端面静环及其制造方法，静环工作面由九个波形槽1和一个坝区2组成。制造时，先完成静环工作面和基面的磨削。第一步研磨基面和工作面，并达到平面度和平行度设计值。第二步研磨工作面的第一组三个波形槽，并达到波幅设计值，同步进行抛光第一组三个波形槽并达到波幅设计值。第三步静环旋转40°重复第一组工序完成第二组三个波形槽的制造。第四步静环再次旋转40°重复第一组工序完成第三组三个波形槽的制造。第五步抛光工作面坝区，并达到平面度设计值，抛光的工作面坝区应达到坝区宽度值，则完成了静环的制造。

Description

核主泵主轴机械密封波形端面静环及其制造方法

技术领域：

本发明涉及一种核主泵主轴机械密封波形端面静环及其制造方法。

背景技术：

核主泵主轴机械密封被誉为核主泵的心脏，主要防止反应堆冷却剂介质泄漏到外部造成环境污染，因此其可靠性和安全性对核电站的安全稳定运行至关重要。核主泵机械密封多以动压型机械密封为主，其可靠性相对更高。动压型机械密封根据静环表面的结构形状又可以分为波形浅槽、带状浅槽、螺旋槽、密集圆柱槽等。目前，在核电站波形端面机械密封应用最为广泛，不仅泄漏量小而且安全稳定性更高，深受核电站青睐。机械密封的制造精度要求直接影响密封的制造时间和使用寿命。常用的加工方法主要有磨削加工、光刻加工、电解加工、电火花加工、超声波加工、激光加工和复合加工等。国外墨西哥大学、国内大连理工大学针对静环的波形浅槽制造研制了基于三轴联动杯形线接触磨削原理的超精密磨削加工设备，主要通过调整磨削砂轮的运行轨迹实现波形浅槽的制造，表面粗糙度可达到0.54μm，这种制造方法成本较高而且波形端面的表面质量较差。清华大学采用电火花加工了静环波形浅槽密封端面，但该方法不仅加工时间长，积碳严重，而且表面粗糙度不能达到Ra≤0.4μm的要求。台湾国立高雄应用科技大学对碳化钨和碳化硅材料的机械密封槽进行了电火花加工实验，用了不到两个小时加工出槽深不大于3μm，Ra<0.35的气体机械密封环的螺旋槽。南京航空航天大学提出了一种采用阴极掩模电解加工方法，可以同时在金属基体上加工数千个到数万个直径几十微米到几百微米，深度在几个微米到几十微米的微小微坑，加工仅需几秒钟到几分钟，掩模可重复使用，从而极大地提高了电解加工的效率。兰州理工大学采用激光对干气密封端面进行动压槽加工，获得加工精度较高的螺旋槽。新加坡制造技术研究所指出由于超声波的固有的去除机制所导致且无法消除表层被破坏，不过采用相对较小的磨料可能使微孔加工质量得到提高。上述各种制造工艺的缺点主要集中在效率低、环保性差、精度差、热变形影响、表面脆裂、加工时间长、投入高或经济差等。

发明内容：

本发明的目的是公开一种设备投入低、产能高、经济性高、简易高效、人员投入少、制造周期短、产品可靠性高的核主泵主轴机械密封波形端面静环及其制造方法。本发明的技术方案为：一种核主泵主轴机械密封波形端面静环，静环的工作端面由三组共九个均匀分布的相同波形浅槽(1)和一个坝区(2)组成，每个波形浅槽(1)呈半圆形状，波形浅槽(1)余弦角为40°，每个波形浅槽外圆处与相邻波形槽依次首尾相接，波形浅槽(1)顶部与坝区(2)相连接，坝区(2)为平面。

一种核主泵主轴机械密封波形端面静环的制造方法，

1)完成静环工作面和基面的磨削，工作面和基面磨平满足形位公差要求后，转入研磨工序；

2)第一步为研磨静环基面和工作面，为达到研磨面平面度要求，先进行平面研磨机铸铁盘平面调整，通过压紧研磨机盘芯处六角螺钉，结合使用工具环研磨铸铁盘，直到平面度小于0.5μm，然后开始研磨静环基面和工作面，直到平面度小于0.5μm；

3)第二步为研磨工作面上的第一组三个波形浅槽，前提是曲面研磨机铸铁盘锥面调整满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，注：rad为弧度，如果没有满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，则需要重复研磨铸铁盘，当研磨的第一组三个波形浅槽的波幅设计值满足要求波幅误差范围6～7μm，抛光第一组三个波形浅槽，前提是曲面抛光机铜盘锥面调整满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，如果没有满足锥度设计值误差范围0.0011～0.0015rad，则需要重复抛光铜盘，当抛光的第一组三个波形浅槽的波幅设计值满足误差范围要求6～7μm，则完成了工作面第一组三个波形浅槽的制造；

4)第三步为重复第一组相同工序完成第二组三个波形槽的制造，静环相对第一组的安装位置旋转40°调整在制造工装的装配位置，曲面研磨机铸铁盘的锥度和曲面抛光机铜盘的锥度不改变，先研磨第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，之后抛光第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的要求误差范围6～7μm，则完成了工作面第二组三个波形浅槽的制造；

5)第四步为重复第一组相同工序完成第三组三个波形槽的制造，静环相对第二组的安装位置再旋转40°调整在制造工装的装配位置，曲面研磨机铸铁盘的锥度和曲面抛光机铜盘的锥度不改变，先研磨第三组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，之后抛光第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，则完成了工作面第三组三个波形浅槽的制造；

6)第五步为抛光工作面坝区，前提是平面抛光机铜盘平面调整满足平面度小于0.5μm，如果没有满足平面度小于0.5μm，则需要重复抛光铜盘，当抛光的工作面坝区满足坝区宽度值3～3.5μm，则完成了静环的制造；

7)最后，静环作为主轴机械密封的一部分进行装配后功能试验，考核是否满足机械密封的泄漏量设计值压力为5.3MPa时，泄漏量低于15L/h，若满足要求可以验收，如果没有满足机械密封的泄漏量设计值压力为5.3MPa时，泄漏量低于15L/h，则需要重新研磨与抛光直到满足要求为止。

本发明的技术优点是：

1、制造一种密封端面有九个余弦波形浅槽的机械密封静环，每个波形浅槽呈半圆形状，正常运转时，波形槽端面会低压和高压相间的压力分布区，完全不同于静压密封的线性压力分布，这种高压分布特性可以显著增强机械密封的运行稳性定、安全性、可靠性和泄漏量控制。

2、不同于传统的磨削、光刻、电解、电火花、超声波、激光加工工序，本专利采用研磨与抛光的工艺制造方法，选用颗粒度约为1-7μm的碳化硼研磨粉进行研磨，表面粗糙度非常低，可达到0.05μm，配合钻石膏抛光，最终表面粗糙度达到0.005μm，非常有利于减小密封摩擦副之间的磨损量，提高机械密封的使用寿命。

3、应用预变形工装按120度角分布，将静环压出三个变形高点，放置在曲面研磨盘进行研磨，将三个变形点研磨到与曲面研磨盘的锥度一致，再同步放到曲面抛光盘进行抛光达到同样的锥度，之后拆解释放变形应力而回弹到未变形状态，从而实现一组三个波形浅槽的制造，整个研磨、抛光过程只需要10分钟的时间，相比其它工艺方法极大地减少了制造的时间，而且实现了预设的波形状态，表面精度高。

4、制造的预变形工装结构简单，原材料成本和加工时间及费用投入较低，相较于纯磨削设备加工，经济适用性较高。研磨与抛光制造工序更注重人为的可操控性，灵活性较强。

本发明的波形端面静环的制造方法主要以挤压变形工装为主，通过挤压变形研磨实现静环工作面波形浅槽的制造，不仅极大地降低了制造成本，而且研磨表面可达到极高的表面精度，在满足使用要求的前提下提高了密封的使用寿命。

附图说明

图1是核主泵主轴机械密封波形端面静环的结构简图。

图2是波形端面静环的制造工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种核主泵主轴机械密封波形端面静环，静环的工作端面由三组共九个均匀分布的相同波形浅槽1和一个坝区2组成，每个波形浅槽1呈半圆形状，波形浅槽1余弦角为40°，每个波形浅槽外圆处与相邻波形槽依次首尾相接，波形浅槽1顶部与坝区2相连接，坝区2为平面。

如图2所示，一种核主泵主轴机械密封波形端面静环的制造方法，1)完成静环工作面和基面的磨削，工作面和基面磨平满足形位公差要求后，转入研磨工序；2)第一步为研磨静环基面和工作面，为达到研磨面平面度要求，先进行平面研磨机铸铁盘平面调整，通过压紧研磨机盘芯处六角螺钉，结合使用工具环研磨铸铁盘，直到平面度小于0.5μm，然后开始研磨静环基面和工作面，直到平面度小于0.5μm；3)第二步为研磨工作面上的第一组三个波形浅槽，前提是曲面研磨机铸铁盘锥面调整满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，注：rad为弧度，如果没有满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，则需要重复研磨铸铁盘，当研磨的第一组三个波形浅槽的波幅设计值满足要求波幅误差范围6～7μm，抛光第一组三个波形浅槽，前提是曲面抛光机铜盘锥面调整满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，如果没有满足锥度设计值误差范围0.0011～0.0015rad，则需要重复抛光铜盘，当抛光的第一组三个波形浅槽的波幅设计值满足误差范围要求6～7μm，则完成了工作面第一组三个波形浅槽的制造；4)第三步为重复第一组相同工序完成第二组三个波形槽的制造，静环相对第一组的安装位置旋转40°调整在制造工装的装配位置，曲面研磨机铸铁盘的锥度和曲面抛光机铜盘的锥度不改变，先研磨第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，之后抛光第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的要求误差范围6～7μm，则完成了工作面第二组三个波形浅槽的制造；5)第四步为重复第一组相同工序完成第三组三个波形槽的制造，静环相对第二组的安装位置再旋转40°调整在制造工装的装配位置，曲面研磨机铸铁盘的锥度和曲面抛光机铜盘的锥度不改变，先研磨第三组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，之后抛光第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，则完成了工作面第三组三个波形浅槽的制造；6)第五步为抛光工作面坝区，前提是平面抛光机铜盘平面调整满足平面度小于0.5μm，如果没有满足平面度小于0.5μm，则需要重复抛光铜盘，当抛光的工作面坝区满足坝区宽度值3～3.5μm，则完成了静环的制造；7)最后，静环作为主轴机械密封的一部分进行装配后功能试验，考核是否满足机械密封的泄漏量设计值压力为5.3MPa时，泄漏量低于15L/h，若满足要求可以验收，如果没有满足机械密封的泄漏量设计值压力为5.3MPa时，泄漏量低于15L/h，则需要重新研磨与抛光直到满足要求为止。

Claims (2)

1.一种核主泵主轴机械密封波形端面静环，其特征是：静环的工作端面由三组共九个均匀分布的相同波形浅槽(1)和一个坝区(2)组成，每个波形浅槽(1)呈半圆形状，波形浅槽(1)余弦角为40°，每个波形浅槽外圆处与相邻波形槽依次首尾相接，波形浅槽(1)顶部与坝区(2)相连接，坝区(2)为平面。

2.一种核主泵主轴机械密封波形端面静环的制造方法，其特征是：

1)完成静环工作面和基面的磨削，工作面和基面磨平满足形位公差要求后，转入研磨工序；

2)第一步为研磨静环基面和工作面，为达到研磨面平面度要求，先进行平面研磨机铸铁盘平面调整，通过压紧研磨机盘芯处六角螺钉，结合使用工具环研磨铸铁盘，直到平面度小于0.5μm，然后开始研磨静环基面和工作面，直到平面度小于0.5μm；

3)第二步为研磨工作面上的第一组三个波形浅槽，前提是曲面研磨机铸铁盘锥面调整满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，注：rad为弧度，如果没有满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，则需要重复研磨铸铁盘，当研磨的第一组三个波形浅槽的波幅设计值满足要求波幅误差范围6～7μm，抛光第一组三个波形浅槽，前提是曲面抛光机铜盘锥面调整满足锥度设计值0.0011～0.0015rad，如果没有满足锥度设计值误差范围0.0011～0.0015rad，则需要重复抛光铜盘，当抛光的第一组三个波形浅槽的波幅设计值满足误差范围要求6～7μm，则完成了工作面第一组三个波形浅槽的制造；

4)第三步为重复第一组相同工序完成第二组三个波形槽的制造，静环相对第一组的安装位置旋转40°调整在制造工装的装配位置，曲面研磨机铸铁盘的锥度和曲面抛光机铜盘的锥度不改变，先研磨第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，之后抛光第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的要求误差范围6～7μm，则完成了工作面第二组三个波形浅槽的制造；

5)第四步为重复第一组相同工序完成第三组三个波形槽的制造，静环相对第二组的安装位置再旋转40°调整在制造工装的装配位置，曲面研磨机铸铁盘的锥度和曲面抛光机铜盘的锥度不改变，先研磨第三组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，之后抛光第二组三个波形浅槽并达到波幅设计值的误差范围要求6～7μm，则完成了工作面第三组三个波形浅槽的制造；

6)第五步为抛光工作面坝区，前提是平面抛光机铜盘平面调整满足平面度小于0.5μm，如果没有满足平面度小于0.5μm，则需要重复抛光铜盘，当抛光的工作面坝区满足坝区宽度值3～3.5μm，则完成了静环的制造；

7)最后，静环作为主轴机械密封的一部分进行装配后功能试验，考核是否满足机械密封的泄漏量设计值压力为5.3MPa时，泄漏量低于15L/h，若满足要求可以验收，如果没有满足机械密封的泄漏量设计值压力为5.3MPa时，泄漏量低于15L/h，则需要重新研磨与抛光直到满足要求为止。

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