CN101208549B - 用于双向旋转密封件的低扭矩液力动态唇口几何结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转密封件的大体圆形动态密封唇口的液力动态润滑几何结构，可用于分隔环境和润滑剂。该动态密封唇口用于形成与相对旋转表面的压缩密封配合，并用于响应发生在顺时针方向和逆时针方向的相对旋转将润滑流体的膜楔入动态密封唇口和相对旋转表面之间的界面。结合有拉长凹窝的波形可提供渐进的收敛、有效的冲击角度、和可传导到有效液力动态楔入的渐进界面接触压力的升高。由压缩边缘效应产生的倾斜升高接触压力区域在位于密封件和相对旋转表面之间的动态密封界面中提供可控制的润滑剂运动，以产生加强的润滑和低运行转矩。

Description

用于双向旋转密封件的低扭矩液力动态唇口几何结构

与本申请相关的参照说明

本申请要求享受于2005年03月22日申请的美国临时申请60/664,662，名称为“旋转轴密封件”的申请的优先权，以及2006年01月04日申请的临时申请60/755,975，名称为“液力动态旋转密封件”的申请的优先权。

联邦资助研究发展申明

本发明是按照能源部授予的No.DE-FG02-05ER84206合同在美国联邦政府的支持下完成的，美国政府因此在本发明中有一定的权利。

背景技术

1.技术领域

本发明通常涉及一种为了延长密封件寿命并降低运行扭矩、磨损和自生热量的旋转密封件的润滑。旋转密封件适用于环境排放和润滑剂保持，以及更特别的涉及密封件的润滑，该密封件可承受较高压差、高度压缩、顺时针方向旋转和逆时针方向旋转。

本发明的优选实施例的一个方面包括液力动态润滑密封唇的几何结构，其适合于压缩型(例如干涉型)和挠性悬臂唇型旋转密封件。

2.现有技术

油田泥浆马达的密封的轴承组件、旋转操纵工具、旋转防喷装置和其他油田用装备对旋转密封出现了一些困难，如具体在共同受让的美国专利文件4610319；5195754；5230520；5738358；5823541；5873576；6007105；6036192；6109618；6120036；6227547；6315302；6334619；6382634；6494462和6561520中。例如泥浆马达的密封的轴承组件，参见美国专利文件3730284；4372400；4476944和6439866。例如旋转防喷装置，参见美国专利文件4281724；5178215；5224557；5647444；5662181；6016880；6354385和6554016。

现有技术对于这些设备的密封主要是基于上述共同受让专利文件中制造并销售的液力动态润滑密封件族。这些密封件，如公知的在工业上注册商标“KALSI SEAL”的密封件，通常具有正弦曲线波形几何结构，以便在动态密封表面和旋转部件之间将润滑膜导入动态密封界面。虽然这样的密封件在一些条件下性能不错，但是在其他一些条件下，其性能不佳。其中一种系列的困难的条件是，密封件需要同时承受顺时针和逆时针旋转，并希望有不断增加的润滑膜厚度。这样的一个申请的例子就是泥浆马达，泥浆马达的旋转密封件在普通钻探中顺时针旋转，而在钻杆组被降低时发生由于逆时针的空转而造成的逆时针旋转。

在现有技术中，密封件有正弦曲线波形的几何结构，油膜厚度在正弦曲线波形部分最厚，因为很多润滑剂从波形的端部进入，从尾部渗漏。结果，动态密封界面朝向外部环境没有得到充分润滑，这就会引起不利的磨损、扭矩和密封产生热量，特别当遇到下列的情况时候：

低粘度润滑剂，其低于润滑剂的最佳粘度；

密封件两端的较高压差；

较高的环境地热温度；

干扰热传递的轴材料和结构；

较高的初始密封压缩；

较高的旋转速度；

近距离间隔的多余的密封件，其会集中由于密封件而产生的热量。

运转扭矩与润滑剪应力作用和与动态密封界面的粗糙接触有关。虽然现有技术的液力动态密封件比非液力动态密封件运行的温度低，与扭矩有关的热量产生仍是要重点考虑的。现有技术中密封件通常由弹性体制造，会遭受在温度升高时的加速退化。例如，介质阻力问题、气体渗入问题、膨胀、压缩形变(compression set)和与压力相关的挤压损伤都会在温度升高的时候变得恶化。

现有技术的密封件不能在一些高速或者高压的应用中使用，这是因为由于密封件产生热量会使密封材料超出其有效温度范围。另外，在密封件唇口与较硬的材料结合的时候，例如加强聚四氟乙烯(PTFE)塑料，现有技术的双向旋转密封件不能提供充分的润滑。

通常地，密封件寿命最终由密封件对压缩形变(例如永久形变)、研磨磨损和挤压损伤的敏感度来限定。许多应用得益于液力动态密封件，该液力动态密封件可以在较大的初始压力下工作，使得密封件可以承受较大的机械位移、跳动、公差、压缩形变和磨损。许多应用得益于在极度工况下较好的润滑，并承受较少的磨损。许多应用得益于冷却运转的密封件，维持较小的与温度相关的弹性模量的损失并因此提高对高压的抗挤压性能。

美国专利文件US6109618的图10-13D显示了凸出的液力动态入口的几何结构——圆形表面形状，在横截面上圆周排列，具有辐射状的外形，类似于传统滑板的头部边缘。如美国专利文件US6109618的图10-13D制造的密封件具有固有的和精密的限制，就是大致圆周取向的凸出的液力动态入口的给定尺寸对于穿过不同轴径的密封件族(family)的轴不能提供相同的收敛率。

轴直径对于凸出的液力动态入口给定尺寸具有明显的影响。小直径轴以较快的速度收敛入口，产生急剧的收敛。这会影响润滑楔部的功效。在具有相同的凸出入口尺寸的情况下，如美国专利文件US6109618的图10-13D显示的小直径密封件，润滑不是很好并产生产生较少的流动作用，而大直径密封件润滑比较好，产生较多的流动作用。

本说明书的图17显示了各种轴径与圆周定向的液力动态入口半径的未压缩关系。即使图17没有表示安装后的收敛，但它提供了观察轴径和入口收敛的关系。

如从图17中获知，2.00”的凸出入口半径相对于2.75”直径轴的收敛率大致两倍于其相对于16.50”轴的收敛率。通常还可以看到，2.00”的突起入口半径相对于0.50”直径轴的收敛率更大。结果，与把相同入口尺寸使用在0.50”轴或者2.75”轴相比，较好的润滑和较高的流速发生在16.50”轴。

从图17A的虚线可以看出，如果2.00”的凸出入口半径相对于16.50”直径轴的收敛率两倍于在0.50”直径轴上，可以理解(作为发明人按照与能源部的合同No.DE-FG02-05ER84206的最新研究)，入口半径会由凸出变为凹入。换句话说，可以理解的是，小直径密封件为了实现与具有凸出入口的大直径密封件相同的液力动态润滑程度，不得不与凹入入口结合。美国专利文件US6109618没有考虑凹入入口的使用。事实上，用于制造美国专利文件US6109618图10-13D的密封件的工具的生产方法并不适应于凹入入口。

小型化问题

随着井底工具的小型化，由于一些参数不能随着实际制造限制、公差和特殊应用需要而以线性按比例缩小，出现了一系列的设计问题。

随着旋转密封件的按比例缩小，对于给定的初始压缩百分比而言，小半径的横切深度会导致较小的尺寸压缩。不能低于特定的实际限定而使公差按比例缩小，因此会引起较大的压缩变化。轴的硬度通常也不能线性地按比例缩小，导致较大的半径偏差和跳动。这引起了在密封一侧的压力较大，在另外一侧的压力较小、

需要一个特定的尺寸压缩的最小水平，以便于密封件可以适应公差、位移、密封件磨损和压缩形变而不损失与轴的密封连接。上述的因素表明与大横截面的密封件相比，缩小的密封件的初始压缩百分比需增大以实现需要的尺寸压缩。

在动态密封界面的接触压力与压缩百分比和密封材料的弹性模量有关。较高的压缩百分比会导致较高的密封-轴的界面接触压力，这会降低液力动态润滑膜的厚度，引起较高的摩擦和密封件产生热以及磨损。现有技术的密封件涉及的压缩限制，给实际生产的最小横截面施加相应的限制。为了补偿这些，就需要在任何旋转方向上具有较强的液力动态作用的密封件。

发明内容

简要地，本发明是优选大致圆形的、液力动态润滑的动态密封唇口的几何结构，在润滑压力明显高于环境压力以及环境中包含一定的研磨物质的应用中，这将直接延长密封件的寿命。

本发明通常涉及在为了保持相对旋转的机器组件的润滑和环境排放在相对旋转机械部件之间建立密封的旋转密封件，其中在相对旋转时密封件的几何结构与润滑剂相互作用以将润滑膜楔入动态密封界面，该界面位于密封件和相对旋转表面之间。更具体地，本发明涉及一种特别的、用于动态唇口的液力动态波几何结构，动态唇口适用于顺时针旋转和逆时针旋转，为了有效地进行液力动态润滑，在动态密封界面控制相互接触压力。这就要求动态唇口具有相对较高的初始压缩和相对较低的扭矩，并有助于使唇口承受相对较大的压力差。

本发明优选实施例的每个波形结合了拉伸的凹窝，该拉伸的凹窝提供在圆周方向上相对旋转表面的逐步收敛、有效的冲击角和在圆周方向出现的渐进的界面接触压力的升高。这些因素有益于有效的液力动态楔入。为了提高润滑、降低旋转力矩、提高使用寿命和在较低速度下液力动态操作的能力，由压缩边缘效应引起的偏斜升高接触压力区域提供了通过动态密封界面和朝向环境的可控润滑运动。一些润滑剂从升高接触压力区流过，在升高接触压力区提供润滑。润滑剂净泄漏发生在润滑剂通过动态密封界面进入环境的时候。

本发明的波形几何结构适于压缩型(例如干涉型)和挠性悬臂唇型旋转密封件。该几何结构设计为用于面密封，即当动态唇口为了与平面形式的相对旋转表面接触而大体沿着轴线突出的位置。可以替换地，该几何结构可以设计为用于径向密封，即动态唇口为了与圆柱面形式的相对旋转表面接触而大体沿着径向突出。

由拉长凹窝几何结构产生的入口几何结构可以一般为凸出型或者为凹入型，或者在某些位置凸出，在别的位置凹入，如由动态唇口的直径和相对旋转表面的期望收敛率所指出的那样。

关于附图中各视图的简要描述

以上引用的特征、优点和本发明的目的得以实现并详细理解的方式和本发明的更进一步的描述以及上述内容的简要概述，都可参考附图中的实施例来获得。值得注意的是，尽管附图仅仅示出了本发明的典型实施例，但是并不因此认为限定了发明的范围，因为发明可以允许其他等效的实施例。

在附图中：

图1是具体体现本发明原理的环形液力动态密封件的横截面结构的部分横截面视图；

图1A是图1的液力动态密封件位于未压缩状态和设置为径向压缩的放大部分的阴影立体图，该视图显示了拉长凹窝和动态唇口的两个完整波。

图1B是图1和图1A中密封件的顺时针波形的局部平面图。

图1C是图1B沿着C-C方向的视图。

图1D、1E和1F是图1B的各自沿着D-D、E-E和F-F的剖视图。

图2是图1A的动态唇口的两个完整波形的内部分界面的接触痕迹视图，该视图结合了在痕迹范围内内部分界面的接触压力相对放大的轮廓线型绘制。

图2A和2B是根据本发明的动态唇口的替换轨迹形状的视图。

图2C是类似于图2的视图，显示出修正的最小分流转移宽度和用于改善润滑减少渗漏的升高接触压力区域的角度。

图3是处于非压缩状态的和配置用于在径向压缩对内部圆柱形状的相对旋转表面的密封的液力动态密封件的放大的局部阴影立体图，例如对于容纳孔的密封件。

图3A和3B是处于非压缩状态的和配置用于在轴向压缩对内部圆柱形状的相对旋转表面的密封的液力动态密封件的放大的局部阴影立体图，例如对于轴肩或外壳的密封。

图4-9是根据本发明的液力动态密封件的简化实施例的横截面图，视图在密封件处于非压缩状态并在拉伸凹窝的中心选取。

图10，11和12-12B是根据本发明的液力动态密封件的替换实施例的横截面视图，该密封件包括一个弹性增能器来对于相对旋转表面弹性承载动态唇口。

图13是根据本发明的液力动态密封件的替换实施例的横截面视图，视图在密封件处于压缩状态时在拉伸凹窝的中心选取。

图14是图1中的液力动态密封件的替换实施例处于非压缩状态和设置为轴向压缩时的局部阴影立体视图，该视图显示拉伸凹窝和动态唇口的两个完整波，为了增加热膨胀和铸造磨损的承受能力拉伸凹窝比较深。

图15是根据图1的液力动态密封件的替换实施例的横截面视图，显示了逆时针波和拉伸凹窝。

图15A是图15的液力动态密封件的放大部分视图，显示了波的液力动态入口部分。

图15B是图15A中的液力动态入口的几何结构的表面图。

图16-16C显示在限制图15和5A所示拉长凹窝的表面的图15B中的结构轮廓限定的区域内绘制线条的构造方法。

图16D显示构建方法，用于建立凹窝侧翼49的变化曲率的变化率，因此能控制凹窝侧翼相对于旋转表面的收敛。

图17和17A显示各种轴径和圆周取向的液力动态入口半径间的未压缩关系。

发明的详细说明

为了获得对发明更完整的理解，图1-2B应当一起研究，因为整体理念不能在任一单独的图中完美表达。本说明书的由相同数字表示的特征具有相同的功能。应当理解，为了定位的目的，在图1和1D-1F和4-13中的横截面图中横截面的切面对准并穿过密封件的理论轴线，图16-17的图表的平面草图处于密封件理论轴线的合适角度，密封件设置用于密封相对旋转轴。

图1的描述

图1是部分横截面视图，提供一个总的视图，表示本发明的优选实施例在装配到机器上时是怎样使用的。大体为圆形的、环状设置的旋转密封件2包括至少一个动态唇口4，动态唇口4通常也是圆形(例如环形)。动态唇口4结合了本发明的独特液力动态特征(结合后面的附图论述)，允许动态唇口4以较少磨损、冷却地运转，使其适于在具有较差热导率的轴上运转，使得其更适合于与涉及高压缩百分比的微小的干涉型密封件横截面一起使用。

本发明的独特的液力动态特征可以和许多不同类型的旋转密封件的动态唇口结合使用，例如直接干涉型密封件，或者弹性激励的悬臂唇口密封件。为了说明的目的，图1中描绘的密封件2是典型的直接干涉型的密封件，其压缩安装于第一机械部件8和相对旋转表面5之间。

密封件2的目的是与相对旋转表面5建立密封结合，保持第一流体6的体积，从第二流体7中分隔第一流体6，并将第二流体7隔离并防止第二流体7侵入第一流体6。为了这样的特殊目的，术语“流体”包含最广的含义，包括液体和气体。

密封件2典型地由第一机械部件8引导(例如设定位置)。为了显示典型应用的目的，第一机械部件8被示为具有大体环状密封槽26，环状密封槽26包括大体相对设置的第一槽壁12和第二槽壁13。在不背离本发明的理念和范围的情况下，安置密封件的方式可以采用其他的特殊形式。

在液力动态密封件工业中，第一槽壁12通常被称为“润滑侧密封壁”，第二槽壁13通常被称为“环境侧密封壁”。虽然第一槽壁12和第二槽壁13表示为相互永久固定关系，但是这不意味着限定发明的范围，因为本发明允许采用其他等同的适当形式。例如，为了便于维护和修理，第一槽壁12和/或第二槽壁13可以设置为可从第一机械部件8上拆卸，但装配到用于密封定位的或多或少的固定位置。再举一例，如果密封件是如图12-12A中所示的闭式悬臂唇口，通常只能使用一个密封定位壁。换句话说，这样的密封件典型地安装于沉孔中。

至少动态唇口4的一部分被压缩，与第二机械部件10的相对旋转表面5保持接触。在动态操作过程中，相对旋转表面5相对于密封件2的动态唇口4及第一机器械部件8作相对旋转。本发明可以应用于，各自旋转的第一机器部件8和第二机器部件10中的一个或者两个。

密封件2，通常呈整体环形，确定一个理论中心线(未示出)，图1的横截面部分是在穿过理论中心线的切面上选取的纵向横截面图，即理论中心线位于切面上。相对旋转的圆周方向正交(垂直)于横截面平面，密封件2的理论中心线与相对旋转的轴线重合。

密封件2最好设定第一密封端14，通常朝向第一槽壁12和第一流体6。密封件2最好设定第二密封端15，通常朝向第二槽壁13和第二流体7。在液力动态密封件工业中，第一密封端14通常被称为“润滑端”，第二密封端15通常被称为“环境端”。第一密封端14优选地大体与第二密封端15相对设置。第一密封端14和第二密封端15可以采用其他特殊的形式而不背离本发明的理念和范围。

虽然第一密封端14同第一槽壁具有间隙关系，但根据美国专利文件5873576、6036192和6315302内容的教导，本发明的独特的液力动态几何结构也适于构造用于经受同时与第一槽壁12和第二槽壁13接触的密封件。

相对旋转表面5可以采用外部或者内部导引的大体圆柱表面，如期望的那样，密封件2在第一机械部件8和第二机械部件10之间被径向压缩，在该情况下相对旋转轴线大体平行于相对旋转平面。在径向密封件构造中，动态唇口4用于大体在径向上压缩，外周壁11可以具有大体圆柱的构造，第一槽壁12、第二槽壁13、第一密封端14和第二密封端15可以按照期望的那样具有大体平面结构，

可以替换地，相对旋转表面5可以采用大体平面的构造，密封件2在“面密封”设置中在第一机器部件8和第二机械部件10之间被轴向压缩，在该情况下轴线或者相对旋转轴线将大体垂直于相对旋转平面5。在轴向(面)密封件构造中，动态唇口4将被用于大致在轴线方向上压缩，垂直壁11将具有大致的平面构造，第一槽壁12、第二槽壁13、第一密封端14和第二密封端15可以按照期望的那样具有大体圆柱结构。

动态唇口4对于相对旋转面5的压缩(即挤压接触关系)构建并限定了在动态唇口4和相对旋转面5之间的面接触轨迹16。面接触轨迹16具有非圆第一轨迹边17，该边与第一流体6相对，以及第二轨迹边18具有优选的圆形结构并与第二流体7相对。

按照美国专利文件4610319指定内容的一般教导，动态唇口4优选与陡峭圆形的动态排他***点19结合，该排他***点大致与相对旋转方向对齐，并用于排除第二流体7的侵入。动态排他***点19具有这样的构造，即，在动态唇口4和相对旋转面5之间的相对旋转过程中没有动态楔入运动。在任何相对运动发生于垂直于动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对旋转方向的情况下，动态排他***点19存在一个刮擦的边缘，用于帮助从界面接触轨迹16排除污染物。除非为了有效环境排放，否则不要求动态排他***叉点19呈陡峭和环状。

第二机械部件10的相对旋转表面5和第一机械部件8的外周壁11相互间隔设置。对于图1所示的压缩型密封件，相对旋转表面5和外周壁11之间的空间设置为用于压缩保持密封件2。如同任何常规的干涉型密封件的同样方式，例如O型环或者O型环加强唇密封件，密封件2的压缩在密封件2的静态密封表面20和第一机械部件8的外周壁11之间建立密封界面。该压缩还在动态唇口4和相对旋转表面5之间建立前述界面接触轨迹16。

在动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对旋转的过程中，界面接触轨迹16是动态密封界面，并在动态唇口4和相对旋转表面5之间出现滑动。当动态唇口4和相对旋转表面5之间没有相对旋转的时候，界面接触轨迹16是静态密封界面。

外周壁11可以大体平行于相对表面5，或者可以如图所示与相对表面5成一定的角度，例如，现有技术中美国专利文件5230520中指定的图4、6、7、8或者9所示。

在本发明的优选实施例中，由于下面附图中显示的特殊液力动态几何结构，轨迹16具有在围绕圆周的宽度上变化的形状。第一轨迹边17由于特殊的液力动态几何结构而优选不是圆形(也就是波纹形)，并响应于密封件2和相对旋转表面5之间的相对旋转而产生液力动态楔入作用。液力动态楔入作用迫使润滑流体膜(也就是第一流体6的膜)进入到动态唇口4和相对旋转表面5之间的界面接触轨迹16，这是为了润滑的目的，从而减少磨损、扭矩以及热量的产生。换句话说，动态唇口4在动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对转动期间在润滑流体膜上滑动或者滑行。当相对旋转停止时，该液力动态滑行停止，由于动态唇口4相对于相对旋转表面5的初始压缩，静态密封关系在动态唇口4和相对旋转表面5之间重新建立起来。

滑行运动可以最小化或者防止与传统的非液力动态橡胶或者塑料密封件相关的典型的干摩擦磨损和高摩擦，延长密封件2的寿命以及相对转动表面5的寿命，使得高速、压缩、较高的压差能够实现，甚至当部分动态唇口4是由塑料构成，例如采用加强PTFE时也行。

如果密封件与本发明的改进几何结构相结合，安装在一个浮动压力补偿活塞上，其降低的旋转力矩将较少引起活塞在相配容纳孔中旋转。该减少的密封阻力矩通常使得密封件2相对于第二机械部件10不合乎要求的滑动比现有技术要少，这在大直径密封件中是主重要考虑的条件。滑动可以在围绕大密封件的圆周面上变化，会引起促使张力失效的局部圆周拉伸。较低运行力矩的密封件较少遇到这样的失效。

界面接触轨迹16的第二轨迹边18(有时候叫做“环境边”)优化地为大体是圆形和大体与在动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对旋转的可能方向对齐。第二轨迹边18由动态排他***点19对于相对旋转平面5的压缩构成。由于第二轨迹边18大体为圆形并大致在动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对旋转的可能方向对齐，第二轨迹边18不会相应于动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对旋转而产生液力动态楔入作用。因此，根据美国专利文件461039指定内容的教导，可便于第二流体7的排放。

动态唇口4可由任何适宜的密封材料或者合成材料构成，包括弹性体塑料材料或者橡胶类似材料，包括但是不限于这些：炭、纤维或者纤维加强弹性体、塑料或者不同材料结合到一起来形成的合成结构，例如(但是不限于此)附连于一弹性体结构的弹性体塑料套(可能的布置例子参见图13)。

动态唇口4理想地由为其磨损和抗挤压特性而选择的并具有弹性模量的密封材料构成。在图1的实施例中，增能件(energizer)21用于使动态唇口4对相对旋转表面5加载，并有助于控制密封件的变形和动态唇口4与相对旋转表面5之间的界面接触力。增能件21，若需要，通常还可如图1所示使静态密封表面对外周壁11加载。增能件21可以采用现有技术系列中的任何公知的形式包括(但是不限于此)弹性环或者各种弹性元件，而不背离本发明范围或者构思。如需要，增能件21可以由任何形式的环形凹部22来定位。

其中一个或者多个特征省略时，能实现简化的实施例。例如，该增能件21可以省去，密封件2具有一个或者多个柔性的唇口，或者密封件2是实心的并由一种单独的材料组成，如图6、7各自显示。

如图1所示，该增能件21可以是有弹性模量的弹性材料，其模量与动态唇口4的弹性模量相同或者不同。例如，增能件21可以使用弹性体，其具有比形成动态唇口4的弹性体更高的压缩形变阻抗，然而两种橡胶都具有大致相同的弹性模量。如另外一例，按照美国专利文件5738358指定内容的教导，增能件21的弹性模量可以比动态唇口4的弹性模量低，以控制界面接触压力到对于润滑和低扭矩最适宜的水平。

动态唇口4和相配合的相对旋转表面5之间的界面接触压力是控制密封件产生热量的重要因素之一，因为它会影响液力动态膜(如果在动态唇口4和相对旋转的表面5之间存在的话)的厚度，该厚度又会影响润滑膜的剪切率和接触粗糙程度。通过使用具有较低初始界面接触压力的密封装置，可以由本发明获得高齐平率。

增能件21可以结合于或者整体铸造于密封件2的其余部分，形成一个组合结构，或者可以是一个简单的单独部件，使用通用的现有技术机械组装于密封件的其余部分。其他增能件适宜类型的多个例子显示于图10-13中。在图1中，密封件2表示为压缩型密封件，但如图10-12B所示，该基本构思可以转换到挠曲型悬臂唇口密封件，其采用机械弹性部件来替换增能件21。在本发明的简化形式中，如图7-9所示，增能件21可以被省去，使密封件具有实心的整体横截面。

第一机械部件8和第二机械部件10一起典型地设定腔体23的至少一部分，用于放置第一流体6和设定润滑剂供应。第一流体6在本发明中用于在相对旋转中润滑密封件2和第二机械器部件10之间的动态密封界面。第一流体6优选一种液态润滑剂，例如合成油或天然油，虽然其他流体包括油脂、水和各种工艺流体在一些应用中也是适用的。第二流体7可以是在使用时让密封件2暴露其间的任意类型的流体，例如任意液体或者气体环境，包括但是不限于润滑介质、处理介质、钻探流体等等。

安装后，动态唇口4具有朝向第一流体6的第一唇口侧24和朝向第二流体7第二唇口侧25。在液力动态密封件工业中，第一唇口侧24常被称为唇的“润滑侧”，而第二唇口侧25被称为唇的“周边侧”。第一唇口侧24与动态排他***点19和第二唇口侧25成间距设置。

在图1中，密封件2位于密封槽26中的一个位置，这是在如果第一流体6的压力高于第二流体7的压力时候出现的情况。在这种压力状态下，由于作用于相对旋转表面5和圆周壁11之间的润滑压力所产生的静液力迫使密封件2挤压第二槽壁13。由于第二密封端15和配合的第二槽壁13的互补形状，密封件2在除了缝隙间距31之外的任意位置都能被良好地支持，缝隙间距31存在于第一机械部件8和第二机械部件10之间。该缝隙间距31，通常被称为“挤压间距”，优化地保持较小，使材料的刚度可以更好跨过间距并抵抗压力形变。

从现有技术可以知道，在较大的压力差下，密封唇口的一小部分，将趋于凸出或者挤压到解压间隙，波动压力和跳动可以使被挤压材料挠曲，导致挤压损伤。

本发明的改进的液力动态几何结构的试验已经证实，相对于美国专利文件5230520中的商用现有技术密封件，本发明允许密封件运转温度更低，跨过更大的挤压间隙，和/或更高的压力差，由于低温运转条件可导致动态唇口4具有更高的保留模量。

前面已经提到，本发明适于径向压缩装置和轴向压缩装置。在直径非常大因此密封件非常弯曲的情况下，动态唇口4可以被简单地制造为总体向内定向的结构，在图1A中所示(为了模具结构简便的原因)，该结构设定为密封相对旋转表面5，相对旋转表面5限定向内定向的圆周表面(即，例如轴的表面)。

大直径密封件具有扭转弹性，因此大直径密封件的横截面可以旋转90度，使动态唇口4变为大体轴向定向的唇口，配置成用于密封大致平面形式的相对旋转表面5，或者可以旋转180度，使动态唇口4可以变为向外的、大体径向定向的唇口，配置成用于向内定向的圆柱面(即，例如容纳孔)。

小直径密封件的相对扭转刚度非常大，因此，对于小密封件，动态唇口4应当制造为理想的径向或者轴向密封结构，如特定密封件应用所要求的。

总之，当维持本发明在此所揭示的润滑优势时，密封件可以用于面密封或者径向密封，这是通过设定(通过扭转或者制造)动态唇口4使其位于内、外直径或者密封的端部而实现的。

图1A的描述

图1A是局部放大的阴影立体图，显示与图1所示相同的密封件2的动态唇口4的两个完整的波，但是密封件2处于未压缩状态并被设定(通过扭转或者制造)为径向压缩。在下面的讨论中，缩写CW用于表示顺时针，缩写CCW用于表示逆时针。

第一密封端14、增能件21、动态排他***点19和密封动态表面51在图1A中被标记出来用于定位的目的。动态唇口4与大体圆周结构的突出静态密封唇口36呈大体相反的关系。突出静态密封唇口36优选地与非连续圆周形式的静态排他***点38结合使用，该排他***点与相对旋转方向一致，并适用于防止第二流体7的侵入。

突出静态密封唇口36具有一种压缩对称度，其将密封件2的潜在扭曲最小化，否则这种扭曲会在安装时发生，如美国专利文件5230520和6767016指定的内容教导。在图1A所示的实施例中，静态密封唇口36的直径比动态唇口4的更大，静态密封表面20优选如图1D-1F所示的倾斜表面，以在静态排他***点38附近提供附加的密封压力。

突出静态密封唇口36的几何结构可以采用不背离本发明的理念和范围的其他形式，例如，如果理想的话，与美国专利文件5230520和6767016指定的内容一样的任何静态唇口的形式都可以采用。这里的图4、8和12B显示突出静态密封唇口36的几何结构的一些替换形式。

这里显示的与突出静态密封唇口36结合的实施例可以简化，如需要，可例如按照图5、9、12、和12A所示的那样省略突出静态密封唇口36。

图1A所示唇口几何结构的部分看起来整体如一个单独的、如共同转让的美国专利文件5230520指定的内容一样的传统液力动态波的几何结构，但是在中间部具有拉长凹窝40。确实，在达到本发明的优选实施例的思考过程中，包括可见的传统形式的液力动态波几何结构，但是从使用角度出发在中间部具有拉长凹窝40，将几何结构分为顺时针波42CW和逆时针波42CCW，两种波优选地互为镜像。拉长凹窝40优选地限定了用于顺时针波42CW和逆时针波42CCW的液力动态入口。

当拉长凹窝40挤压于相对旋转表面5(图1)时，其两端部与相对旋转表面5产生逐渐集中的关系，如在圆周方向看到的，形成了间隔的液力动态入口区域，在动态唇口4和相对旋转表面5间的接触点，间隔逐渐变小到消失，以响应于动态唇口4与相对旋转表面5之间的相对旋转将第一流体6的膜有效楔入了动态唇口4与相对旋转表面5之间的界面接触轨迹16。

密封件运转扭矩会受到总的轨迹接触区域(即，润滑剪切区域)和动态唇口4与相对旋转表面5之间的粗糙度接触的影响。与共同转让的美国专利文件5230520和4610319指定的现有技术内容比较，拉长凹窝40从压缩中移动密封材料，消除高界面接触压力不需要的定位，减少总的轨迹接触区域及动态唇口4与相对旋转表面5之间总的接触应力，而不需要减少界面接触轨迹16的最小宽度。这个因素与现有技术相比仅减少了旋转扭矩和跳动扭矩。

旋转扭矩通常受到界面接触轨迹16润滑效力的影响。如下所述详细揭示，拉长凹窝40用于极大改进界面接触轨迹16的润滑。该改进的润滑允许密封件在较高水平的界面接触压力下工作，该较高的接触压力与微型密封件所需的高百分比的压缩关联，和/或密封面上的高压差导致的较高的接触压力关联，和/或使用较高模量材料引起的较高的接触压力关联，例如使用加强塑料。

对于双向旋转运作，动态唇口4结合至少一个顺时针波42CW和至少一个逆时针波42CCW。动态唇口4的第一唇口侧24最好相对于动态唇口4和相对旋转表面5之间可能的相对旋转方向是倾斜的，限定了顺时针波42CW和逆时针波42CCW的侧面。顺时针波42CW和逆时针波42CCW，都适用于具有响应与动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对顺时针和逆时针旋转的第一流体6的膜的液力动态自润滑。

响应于动态唇口4和相对旋转表面5之间的顺时针相对旋转，顺时针波42CW适用于将第一流体6的膜向第二唇口侧25转移(如图2所示通过大体圆形的密封带44)，并进入第二流体7，并因此在顺时针相对旋转过程中提供流体动力学润滑轨迹16(如图1和2所示)。

响应于动态唇口4和相对旋转表面5之间的逆时针相对旋转，逆时针波42CCW适用于将第一流体6的膜向第二唇口侧25转移(如图2所示通过大体圆形密封带44)，并进入第二流体7，并因此在逆时针相对旋转过程中提供流体动力学润滑轨迹16(如图1和2所示)。

顺时针旋转波42CW和逆时针旋转波42CCW最好为相互镜像，如图1A所示，并且最好为相互邻接关系，如所示，用于防止从轨迹16侧向渗回腔体23。通过采用至少一个顺时针波42CW和至少一个逆时针波42CCW，动态唇口4是双向的，从而响应于顺时针或者逆时针相对旋转中的一种，实现了有效的流体动力学润滑和将第一流体6的膜转移向第二唇口侧25。

使用顺时针波42CW和逆时针波42CCW的实际数目取决于密封件2的直径。在大直径密封件中，使用更多的波，典型地采用重复的模式，在小直径密封件中，采用较少的波。在极小直径的双向旋转密封件中，可能只使用一个顺时针波42CW和一个逆时针波42CCW。所使用的顺时针波42CW和逆时针波42CCW的实际数目取决于在相对旋转的每一个方向所需要的润滑度。例如，如果在顺时针方向压差大，在逆时针方向压差小，可能希望采用较多数目的顺时针波和较少数目的逆时针波。在顺时针波的数目和逆时针波的数目不相等的密封件中，有一些一个顺时针波与另外一个顺时针波相邻接的位置，或者有一些一个逆时针波与另外一个逆时针波相邻接的位置。在这种情况下，在相邻位置，两个波共用相同横界面轮廓，所以一个波到另外一个波的过渡比较平滑。

靠近第一唇口侧24，顺时针波42CW和逆时针波42CCW分别结合有多功能边46CW和多功能边46CCW。多功能边46CW和多功能边46CCW的范围可以从图1C-1F中很容易看到。多功能边46CW和46CCW中的每一个均有至少一部分相对于可能的相对旋转的方向倾斜(即不平行)。最好几乎全部多功能边46CW和46CCW相对于可能的相对旋转的方向和相对于动态排他***点19是倾斜的。优选的多功能边46CW的倾斜部分与多功能边46CCW的倾斜部分是倾斜相对的。

多功能边46CW和46CCW的至少一部分分别形成斜坡部分48CW和48CCW。斜坡部分48CW和48CCW中的任意一个均有助于形成拉长凹窝40的一侧的部分。当密封件2相对于于相对旋转表面5压缩时(图1)，优选各斜坡部分48CW和48CCW的一部分压缩于相对旋转表面5，至少每个斜面部分的一部分不与相对旋转表面5接触，相反地，与相对旋转表面5保持距离。斜坡部分48CW和48CCW向相对旋转表面5以平缓的角度倾斜/弯曲来形成流体动力学楔形几何结构。

优选的，拉长凹窝40通常结合有一凹窝侧翼(dimple flank)49，当从纵向横截面(最好在图1D中观察)观察时，凹窝侧翼49具有一个大体凸出弯曲的轮廓，弯曲轮廓的大小优选地随着波的长度变化，如下面详细内容结合图1B-1F所揭示的那样。动态唇口4通常最好结合有凹窝过渡部(dimple fillet)50CW和50CCW，当从纵向横截面(最好在图1D中观察)观察时，凹窝过渡部50CW和50CCW具有一个大体凹入弯曲的轮廓，并在圆周方向具有倾斜轮廓。优选地，凹窝过渡部50CW和50CCW的至少一部分分别与斜坡部分48CW和48CCW相比是凹入的。凹窝过渡部50CW和50CCW优选地都与凹窝侧翼49相切或者大体相切，凹窝过渡部50CW和50CCW优选地都与斜坡部分48CW和48CCW各自相切或者大体相切。凹窝侧翼49、凹窝过渡部50CW和50CCW以及斜坡部分48CW和48CCW的弯曲截面轮廓可采用任意适当的形式，例如椭圆曲线的半径或者一部分，或者抛物线的一部分，或者曲线的组合等等。

机器中的润滑剂(第一流体6)，趋于在操作过程中收集污染物。随着相对旋转的发生，第一流体6的一部分和漂浮其中的污染物在腔体23中周向旋转，并相对于动态唇口4相对旋转。由于多功能边46CW和46CCW的倾斜特性，一些第一流体是围绕动态唇口4滑动而不是进入动态界面轨迹16。这种转向的运动有助于引导第一流体6中的污染物远离拉长凹窝40，因此有助于防止动态唇口4的动态表面的磨损。

图1B-1F的描述

图1B是图1和1A中密封件2的顺时针波42CW的局部平面视图。图1C是沿着图1B的C-C平面截取的视图。图1D、1E和1F分别是沿着图1B的切面D-D、E-E和F-F截取的剖视图。在图1D-1F中，第一密封端14、第二密封端15、静态密封表面20、增能件21、环形槽22、第一唇口侧24、突出静态密封唇口36和静态排他***点交点38被标识出来以用作定位的目的。这些特征中的一些在图1B和1C中用数字标记出来用于定位的目的。在图1B中，主弧长度80、副弧长度82和主弧深度94与图16和16A的图示出详细描述的类似数字元件相对应。

在图1B中，第一密封端14平行于视图平面(即，第三角度投影平面)。斜坡部分48CW相对于第一密封端14存在一定角度(在图1A和1C中可以看到)，因此在图1B中的按透视原理缩小。在这个透视缩小的附图中可以看到斜坡部分48CW从密封动态表面51斜着离开。如在图1B中所示，斜坡部分48CW的倾斜特性是一种复合的曲线，包括主曲线52和第二曲线54，上述曲线在切线位置T55相切。前面所述复合曲线结构的一个例子在图16和16A中显示；这种方法自动地调节主曲线52的曲率以维持具有不同密封件直径族的轴处于相同的收敛率，这些不同密封件直径的尺寸用于配合不同的设备限制外套。斜坡部分48CW是多功能边46CW的一部分。多功能边46CW最好如图1B所示从D-D部分延伸到F-F部分。无论如何，即使不考虑多功能边46CW的范围，顺时针波42CW和逆时针波42CCW也在拉长凹窝40的共享几何结构的位置处相邻，除非顺时针波数与逆时针波数不相同。

主曲线52，优选与密封动态表面51大体相切，如在圆周方向所看到的，其控制动态唇口4的斜坡部分48CW(在某种程度上，是凹窝过渡部50CW)对于相对旋转表面5所具有的收敛率凹窝过渡部。收敛率是流体动力学运动的重要因素，因为它在动态唇口4和相对旋转表面5之间的圆周方向上控制接触压力的增长率(称为DPDX)。

因为拉长凹窝40的凹窝过渡部50CW相切于斜坡部分48CW和凹窝侧翼49，斜坡部分48CW的曲率是控制拉长凹窝40相对于相对旋转表面5的安装收敛度的三个主要因素之一。三个主要因素中的另外两个是凹窝过渡部50CW和50CCW的可变曲率的变化率和变化范围，以及凹窝侧翼49的可变曲率的变化率，这些内容将在以下内容中更为详细的描述。

顺时针波42CW的圆周长必须依据一组密封件直径变化，因为相同长度不能相等地分到每个密封件圆周。这种波长的变化还发生在现有技术的正弦波密封件(对于小直径密封件变得十分精确)。在现有技术的密封件中，波长变化会影响密封件和相对旋转表面之间的收敛率。对作为一种波长函数的现有技术密封件的变化收敛的附加信息，可参见美国专利文件6382634。本发明的控制在一定密封件直径范围内不变的收敛率的能力是对现有技术的一种根本的改进。这种能力将结合图16-16C进行更为详细的描述。

主曲线52可以采用不背离本发明范围和理念的形成液力动态楔的任何适宜的形式，例如圆弧(radius)(包括无限圆弧，例如直线)、椭圆的一部分，正弦波曲线的一部分、抛物线的一部分，摆线的一部分、箕舌线的一部分、组合曲线、曲线和直线的组合等等。

图1C的投影视图和图1D、1E和1F的纵向横截面显示本发明动态唇口4表面结构的优选形式。在图1C中用虚线显示了在动态唇口4的各个可变化表面部分之间的优化的大致相切位置T56、T57、T58、T59。

当从纵向横剖面看，例如图1D、1E、1F中，动态排他***点19和T56之间的表面最好为一大致的直线，当其处于非压缩状态的时候，可根据需要倾斜或者平行于所要的相对旋转平面5。

当从纵向横剖面看，例如图1D，1E，1F中，T56和T57之间的凹窝侧翼49平面最好为一大致的凸曲线。在截面D-D(图1D)和截面E-E(图1E)之间的至少一部分上，T56和T57之间的曲线最好以非线性尺寸增大，优选地在一些点变为无限尺寸的曲线(即直线)或者在典型的旋转密封件中为实施目的变为在短距离上的近似直线。T56和T57之间表面的这种可变曲率是形成凹窝侧翼49的较佳方法，虽然为了简化曲线可以是固定的而非变化的。

例如，T56和T57之间的曲线可以是在截面D-D和截面E-E之间尺寸变化为0.15”到400.00”的圆弧半径，并在截面E-E和F-F之间保持400.00”的圆弧半径。可以理解，当应用在T56和T57之间的距离(该距离为典型旋转密封动态唇口的宽度)上时，为实施目的，400.00”的圆弧半径与直线是一样的。

T56和T57之间的可变尺寸为轨迹16提供了优选的如图2所示的类似曲线特性的口侧边(mouth flank edge)60CW和60CCW。在图1-1F所示的例子中，T56和T57之间的大体的凸曲线优选从截面D-D和截面E-E在尺寸上增加(也就是，曲率越来越小)，在E-E截面变为近似直线的曲线，从截面E-E到截面F-F保持相同的近似直线。

从纵向横剖面看，例如图1D、1E、1F中可以看到，T57和T58之间的表面优选为大体的凹曲线。在截面D-D(图1D)和截面E-E(图1E)之间的至少一部分上，T57和T58之间的凹曲线优选以非线性尺寸增加，优选在截面E-E上成为无限尺寸的曲线(也就是直线)，或者在典型的旋转密封件4中为实施目的变为在短距离上的近似直线。在图1-1F的例子中，T57和T58之间的凹曲线优选从截面D-D和截面E-E在尺寸上增加(也就是，曲率越来越小)，在E-E截面变为近似直线的大曲线，从截面E-E到截面F-F保持相同的尺寸。作为简化，凹窝过渡部50CW的曲线可以是固定的而不是变化的。

优选地，T57和T58之间的大体凹曲线的尺寸是位于形成凹窝侧翼49的T56和T57之间的相邻凸曲线尺寸的几分之一。大约1/10到1/2的部分看来比较适宜，使在截面D-D(图1D)和截面E-E(图1E)之间的任何纵向横剖面上，T57和T58之间的曲线是T56和T57之间曲线大小的1/10到1/2。

密封动态表面51，至少在图1-1D的密封件中，是一个区域，其中，形成凹窝过渡部50CW和凹窝侧翼49变化曲线优选变为无限尺寸曲线(也就是直线)，或者当应用于典型动态唇口4的典型尺寸时，为了实施目的变为近似直线的曲线。

从图1D、1E、1F中的纵向横剖面可以看到，多功能边46CW优选具有在T58和T59之间定位的大体凸曲线状的轮廓。曲线状轮廓的一个功能目的是有助于在动态唇口4和相对旋转表面5之间实现逐步收敛关系，以作为液力动态入口，从而提高在动态唇口4和相对旋转表面5之间的相对旋转的逆时针方向的液力动态楔入运动。另外的一个目的是，在轨迹16(参见图2)中产生升高接触压力区域62CW，该区域用于在相反的旋转方向上向动态排他***点19转移润滑剂。多功能边46CW尺寸设置为，可在轨迹16的升高压力接触区域46CW产生所需水平的接触压力。如果需要，多功能边46CW的曲线状轮廓的尺寸可以沿着其长度变化，以控制轨迹16的升高压力接触区域46CW中的接触压力，该压力将影响扭矩、在相对旋转的一个方向进行的液力动态抽吸，并影响润滑膜在相对旋转的相反方向上的转移。例如，如果希望减小轨迹16中的升高压力接触区域46CW的大小，以向动态排他***点19和相应的第二轨迹边18转移较少的第一流体6的膜并产生较少的液力动态渗漏，T58和T59之间的大体凸曲线状的表面在截面E-E图1E)和截面F-F(图1F)之间的部分或全部上尺寸增加。在图1-1F所示的图中，T58和T59之间的大体类似凹曲线状表面在截面E-E和F-F之间尺寸增加(也就是曲率越来越小)，在图1C中显示了由于曲率变化引起的T58和T59的变化特性。

前述的T56和T57之间的曲线、T57和T58之间的曲线、T58和T59之间的曲线可以采用任何适宜形式的曲线，或者曲线的一部分或者复合曲线，或者曲线与直线(也就是无限曲线)的复合。例如，曲线可以从下列的曲线组中选取，包括：圆弧、椭圆、正弦波、抛物线、摆线、和箕舌线。但是在图1-1F中，T56和T57之间的曲线，T57和T58之间的曲线，T58和T59之间的曲线都显示为圆弧形。

图2-2B的描述

图2显示了当安装用于相对旋转表面5时，图1-1F中密封件2的动态唇口4的两个完整波的界面接触轨迹16的平面展开状态。图2中的顺时针旋转和逆时针旋转的标记被取向为就像对着留在相对旋转表面5上的轨迹痕迹看(而不是对着动态唇口4看)。

结合图1如前所述，轨迹16有第一轨迹边17和第二轨迹边18。当动态唇口4的动态排他***点19向相对旋转平面5压缩时，就生成基本在可能的相对旋转方向对齐排列的大体圆形的第二轨迹边18，因此第二轨迹边18不会响应相对转动相对第二流体7产生液力动态楔入运动，因此可以如美国专利文件4610319所教导的起到从轨迹16排除第二流体7的作用。

图2结合了轨迹16中的界面接触压力相对大小的等值线图。图2中的等值线图所显示的接触压力，通过有限元分析来建立，在每平方英寸上通过垫圈(防止发生倾斜，如在SPE/IADC文件No.37627所述)施加15磅每平房英寸(“psi”)的模拟轴向弹性负载。通过图2的等值线，最高接触压力发生在顶峰压力位置64CW和64CCW，最低接触压力沿着第一轨迹边17发生。轨迹形状和接触压力等值线在不同的模拟温度下保持如图2所示的一致，上述温度在典型密封材料的工作范围之内。

升高接触压力区域62CW和62CCW，相对可能的旋转方向相对地倾斜，并由于动态唇口4的多功能边46CW和46CCW相对于相对旋转表面5的压缩而形成。接触压力在升高接触压力区域62CW和62CCW升高的原因是由于经典压缩边缘效应、多功能边46CW和46CCW的横截面形状、和位于多功能边46CW和46CCW与第一密封端14之间的一些密封材料的不可避免的压缩。

升高接触压力区域62CW和62CCW设置为具有在圆周方向具有足够的接触压力增长率，以允许至少一些润滑剂在顺时针和逆时针的旋转中可以经过其中。

第一轨迹边17具有口侧边60CW和60CCW，口侧边60CW和60CCW由凹窝侧翼49对于相对旋转表面5的压缩而产生。口侧边60CW和60CCW的至少一部分或者最好全部相对于可能的相对旋转方向是倾斜的，除了切点位置T73。该倾斜引起了口侧边60CW和60CCW中的一个或另一个在任一相对旋转方向用作液力动态入口。凹窝侧翼49对于相对旋转平面5的压缩产生了在圆周方向的逐步增加的接触压力，如在图2中的接触压力等值线所示。

第一轨迹边17优选具有圆周向突出边66CW和66CCW，它们分别在越过/超过凹入的轨迹边68CW和68CCW延伸。圆周向突出边66CW和66CCW由斜坡部分48CW和48CCW各自压缩于相对旋转平面5而产生。凹入的轨迹边68CW和68CCW由凹窝侧翼49和凹窝过渡部50CW和50CCW对相对旋转平面5之间的压缩而产生。

从概念上讲，轨迹16可以分为顺时针轨迹波区域70CW、逆时针轨迹波区域70CCW、以及由虚线72描绘的圆环密封带44，虚线72与第一轨迹边17在切点T73相切。顺时针轨迹波区域70CW对应于动态唇口4的顺时针旋转波42CW，并且是由于顺时针波42CW的一部分对相对旋转表面5的压缩而产生的。同样，逆时针轨迹波区域70CCW对应于动态唇口4的逆时针旋转波42CCW，并且是由于逆时针波42CCW的一部分对相对旋转表面5的压缩而产生的。通常圆环密封带44是轨迹16的位于虚线72和第二轨迹边18之间的大体圆形的区域，(也就是，圆环密封带44位于第二轨迹边18与顺时针和逆时针轨迹波区域70CW和70CCW之间)。

轨迹16具有最小口宽度84和最小转换宽度85，其根据需要具有相同或者不同的尺寸。优选地，最小口宽84度小于最小转换宽度85，理由将结合图2C来解释。

相对旋转表面5的表面由第一流体6来湿润，第一流体6优选为液态油型润滑剂。当顺时针相对旋转发生时，旋转速度可带动第一流体6的薄膜穿过口侧边60CW、凹入轨迹边68CW和周向突出边66CW，进入界面接触轨迹16的顺时针轨迹波区域70CW。润滑剂薄膜的引入会导致轨迹16中的液力动态动压升力，从而引起动态唇口4的轻微提升，这可消除动态唇口4和相对旋转表面5之间的最直接的摩擦接触。一旦薄膜位于顺时针轨迹波区域70CW，旋转速度使薄膜趋于在顺时针轨迹波区域70CW内在顺时针方向作大致圆周运动，并且薄膜中的一些通过如图1所示从升高接触压力区域62CW中流出并重新进入腔体23。升高接触压力区域62CW，倾斜于相对旋转方向，其轻微削去薄膜的厚度，导致在顺时针轨迹波区域70CW中中作圆周运动的薄膜的一部分被驱动进入大体圆形的密封带44，并朝向大体圆形的第二轨迹边18。一旦膜进入大体圆形的密封带44，就会被更多的进入圆环密封带44的润滑剂所取代，或多或少呈螺旋型螺旋型运动，通过第二轨迹边18退出轨迹16。结果是第一流体6净渗入第二流体7，并润滑了大体圆形密封带44。第一流体6移动进入第二流体7提供了一种冲洗作用，有助于消除轨迹16的任何污染物微粒，并有助于防止污染物进入腔体23。通过变化密封件的几何参数，可以使渗漏和冲洗作用从小到大变化，例如改变主曲线52的曲率来改变动态唇口4和相对旋转表面5之间在拉长凹窝40处的收敛。

转移作用保证了密封件2和相对旋转表面5的配合面在旋转过程中在整个界面接触轨迹16上的润滑，甚至在第一流体6的压力比第二流体7的压力大每平方英寸数百甚至数千磅的条件下也行。

顺时针相对旋转还通常引导第一流体6的薄膜穿过升高的接触压力区域62CCW，进入逆时针轨迹波区域70CCW。一旦薄膜处于逆时针轨迹波区域70CCW中，旋转速度引起其趋于在顺时针方向上大致的圆周运动，直到在口侧边60CCW和凹入轨迹边68CCW以及周向突出边66CCW排出逆时针轨迹波区域70CCW。在逆时针轨迹波区域70CCW中的薄膜的大致圆周运动提供了对逆时针轨迹波区域70CCW的优良润滑，而不显著增加密封扭矩。

根据物理学的定律，两个不同的物体不能同时占据同一空间。在逆时针轨迹波区域70CCW的整个圆周长度上，在逆时针轨迹波区域70CCW中出现的作圆周运动的薄膜，最小化或者阻止了从圆环密封波带44进入逆时针轨迹波区域70CCW的任何侧向渗漏，因此，最小化或者阻止了侧向渗漏进入腔体23中的第一流体6，因此有助于保持在大体圆形密封波带44的足够薄膜厚度来保证足够的润滑。

由于薄膜在逆时针轨迹波区域70CCW中作顺时针相对旋转的圆周运动，可能在逆时针轨迹波区域70CCW中发生恒定的冲洗作用，这将使密封件产生的热从轨迹16转移到腔体23中第一流体6的主容量中。这有助于维持动态唇口4的温度接近于第一流体6的温度。

在干涉型密封件中，如图1-1F所示，最接近第二轨迹边18的升高接触压力区域62CW和62CCW通常在这样的一个区域中，该区域直接和由于静态密封表面20和外周壁11之间的接触而引起的压缩压力相一致。因此，有这样的趋势，即，在升高接触压力区域62CW和62CCW中的接触压力的大小在最接近第二轨迹边18的一部分中增加。图1A中所示的多功能边46CW和46CCW优选的可变化曲率大小有助于控制最接近第二轨迹边18的升高接触压力区域62CW和62CCW部分中的接触压力的大小。作为简化，多功能边46CW和46CCW的曲率是固定的而不是变化的。在图1B中(其是图1A所示密封件的线状图)，多功能边46CW和46CCW的曲率从剖面E-E的最小尺寸到剖面F-F的最大尺寸作正弦变化。该多功能边46CW和46CCW的曲率还在图3B中变化，但是为了简化没有在图3、3A、14和15中变化。

关于在顺时针相对旋转中进入顺时针轨迹波区域70CW的第一流体6，升高接触压力区域62CW中的接触压力断低，转向第二轨迹边18的第一流体6将越少，进入第二流体7的第一流体6的液态动力渗漏率越低。但是，关于在顺时针相对旋转中进入逆时针轨迹波区域70CCW的第一流体6，升高接触压力区域62CCW中的接触压力越低，进入逆时针轨迹波区域70CCW的第一流体6越多。

通常，从扭矩减小的角度希望将拉长凹窝40的液态动力吸入能力设计为越强越好，以带给轨迹16尽可能多的润滑，并且将升高接触压力区域62CW和62CCW设计成可按需求转移足够的薄膜通过大体圆形密封带44以提供预期操作条件的足够润滑。图1A、1B和3B所示的多功能边46CW和46CCW的可变曲率尺寸有助于控制通过压缩转移密封材料而形成的薄膜转移的程度，借以控制升高接触压力区域62CW和62CCW中的界面接触压力的大小。

逆时针轨迹波区域70CCW优选为顺时针轨迹波区域70CW的镜像，与顺时针轨迹波区域70CW的旋转方向相比在相反方向上具有相同的功能。

在逆时针相对旋转中，发生与如上所述相同的液力动态润滑作用，但是在逆时针方向上。换句话说，顺时针轨迹波区域70CW和逆时针轨迹波区域70CCW在旋转方向转变的时候进行交换。

在美国专利文件5230520中描述的和由Kalsi Engineering商业制造的密封件中，任何楔入动态界面接触轨迹(例如，动态密封界面)的润滑剂不得不穿过由压缩边缘效应导致相对较高接触压力的位置。当接触压力采用图线表示的时候，这个高接触压力看起来就如同沿着轨迹的润滑边缘的波峰部分。

在本发明中，在拉长凹窝40处液力动态地楔入界面接触轨迹16的润滑剂不必通过高接触压力的脊部或峰部位置，因为拉长凹窝40，特别是其中的凹窝过渡部50CW和50CCW易于成形为便于产生相对于相对旋转表面5的逐步收敛，以便控制接触压力的轮廓和大小，阻止接触压力的峰部，从而实现较高的液力动态楔入效率。

本发明的低扭矩导致较低的自发热，其有助于使密封材料的与温度相关的模量损失最小化。在对比试验中已经获得了证实，其有助于密封件具有更大的抗挤压性并更少地倾向于典型的“分步切下(nibbling)”和“挤压损伤”。由于挤压损伤会促进研磨磨损并在靠近圆形排除几何结构处中断润滑膜，以及引起附加的摩擦和磨损，本发明提供的减少的扭矩可以在不利操作条件下大大延长密封件寿命。

在一些装置中(例如油田钻孔泥浆马达的密封的轴承组件)，相对较大的轴偏差和其他因素允许轴和密封腔之间有较大的径向运动，导致加剧的挤压损伤。本发明的提高的抗挤压能力将会有助于延长此类装置密封件的寿命。本发明的润滑的增加还有助于允许较高的初始压力水平，这种压力水平对于适应轴和密封腔之间高水平的径向运动是必须的。

在较低的压差中，在ISO 32粘度的润滑剂的未冷却实验室试验中，根据本发明构造的密封件具有根据美国专利文件5230520图2构造的现有技术密封件的扭矩的大约一半，并能在临界自发热温度到达之前以两倍于现有技术密封件的转速旋转。密封件在同一根轴的不同部分上试验，具有相同的跳动(runout)和相同的密封腔，除了滞后的室内空气温度环境之外没有其他冷却。

结合图1-1F描述的上述动态唇口4的几何结构的设计方法非常灵活，并可以容易地改变以产生期望的轨迹形状和接触压力轮廓的变化。

例如，图2A所示的轨迹16的形状可以通过使得拉长凹窝40在较长的圆周距离上延伸来实现。例如另一例子，图2B所示轨迹16的形状可以通过在主曲线52具有较小的曲率并使主曲线52在顺时针波42CW和逆时针波42CCW的较长圆周部分上延伸来实现。

对于最大化的润滑，图2轨迹16的形状优选为图2A的轨迹16的形状，这是因为图2中的口侧边60CW和60CCW(由拉长凹窝40的凹窝侧翼49形成)的各部分接近为沿圆周取向，并因此产生较少的或者不产生液力动态润滑而且通常不适宜阻止膜的侧向渗漏。

对于最大化的润滑，图2轨迹16的形状还优选为图2B的轨迹16的形状。在图2中所示的轨迹16的情况下，由于湿润相对旋转表面5的表面的第一流体6在凹入轨迹边68CW和68CCW冲击轨迹16的边缘，该第一流体6更可能进入轨迹16而不是环绕周向突出边66CW和66CCW滑动，因为为了环绕周向突出边66CW和66CCW滑动，第一流体6不得不在与旋转方向相反的方向运动。在图2B所示的轨迹16的情况下，任何围绕轨迹16滑动(而非进入)的液体将仍然沿相对旋转的方向运动。因此，相比于图2B的轨迹16，流体更可能进入图2所示的轨迹16。

如前所述，凹入轨迹边68CW和68CCW由凹窝侧翼49和凹窝过渡部50CW及50CCW压缩于相对旋转表面5而产生。优选地，凹窝过渡部50CW和50CCW由会承受使用磨损的模具上的突起产生。随着模具突起损耗，轨迹16的形状将慢慢变化，从图2的形状最终变为更像图2B的形状。凹窝过渡部50CW和560CCW的深度可选择成使模具使用寿命最大化，这样模具可以持续长时间工作，以产生具有压缩轨迹的密封件，该压缩轨迹具有所需的凹入轨迹边68CW和68CCW。

在图2C中，相对旋转表面5、第一轨迹边17、第二轨迹边18、腔体23、口侧边60CW和60CCW、压力峰值位置64CW和64CCW、凹入轨迹边68CW和68CCW、顺时针和逆时针轨迹波区域70CW和70CCW和虚线72是为了定位目的被标识出来。图2C显示的轨迹16与图2的在各方面都相同，只是图2C的最小转移宽度85较宽。如果最小口宽度84和最小转移宽度85在尺寸上大小相同，位于接近最小转移宽度85的升高接触压力区域62CW和62CCW的更多部分将处于大体圆形的密封带44，并因此将变得更难润滑。通过将最小转移宽度85制造为大于最小口宽度84，只有非常少的升高接触压力区域62CW和62CCW位于更难以润滑的大体圆形的密封带44。通过将最小转移宽度85制造为大于最小口宽度84，几乎所有的升高接触压力区域62CW和62CCW都得以良好润滑，因为它们沿圆周与液力动态入口相一致，该入口分别形成在切点T73和周向突出边66CW和66CCW之间。最小口宽度84和最小转移宽度85的尺寸比率可以通常用于控制密封件的冲洗速率。最小转移宽度85的尺寸越接近于最小口宽度84的尺寸，第一流体6进入第二流体7的冲洗速率就越高。最小转移宽度85的尺寸相对于最小口宽度84的尺寸越大，第一流体6进入第二流体7的冲洗速率就越低。

图3-3B的描述

图3是未安装的密封件2的局部视图，其构造成(通过扭曲或者制造)用于在径向被压缩以相对于内圆柱形式的相对旋转表面(例如壳孔)进行密封，。动态唇口4具有向外取向的特征，突出的静态密封唇口36具有大致向内取向的特征。第一密封端14具有如图所示的大体平坦的结构。动态排他***点19为了定位的目的被表示出来。

图3A和3B是未安装的密封件2的局部视图，其构造成(通过扭曲或者制造)在轴线方向上被压缩，用于密封大体平面形式(例如轴肩或者壳体)的相对旋转表面，并清楚显示本发明也适用于面密封配置。动态唇口4和突出的静态密封唇口36通常都具有轴向取向的特征。在图3A中，动态排他***点19被设置成在动态唇口4外侧具有第二流体7，还具有第一流体6，也就是朝向动态唇口4内侧的润滑流体。在图3B中，动态排他***点19设置成在动态唇口4内侧具有第二流体7，还具有第一流体6，也就是朝向动态唇口4外侧的润滑流体。第一密封端14可具有如图3A和3B所示的大体圆柱结构。在图3A中，第一密封端14形成了密封件的最内侧面，在图3B中，第一密封端14形成了密封件的最外侧面。

图4-9的描述

图4-9是拉长凹窝40中心的截面图，显示本发明的简化形式。图4-6为了便于引导读者而将一些特征用数字表示出来，即：动态唇口4、第一密封端14、第二密封端15、动态排他***点19和静态排他***点交点38。

可以认识到，如图4所示的简化形式，突出静态密封唇口36的静态密封表面20不必如图1A、1B、1D、1E和1F所示那样倾斜。

还可以认识到，作为简化，如图1A-1F所示的突出静态密封唇口36可以一起省去，静态密封表面20由密封件的外周表面简化形成，该外周表面如图5所示处于与动态唇口4大体相对的关系。

虽然迄今在图1-5中揭示的实施例是干涉型压缩密封件，其结合有由一种材料制成的动态唇口4和由另外材料制成的增能件21，但这并非试图以任何方式对本发明进行限定。希望本发明的动态唇口4的液力动态几何结构可适应于各种类型的旋转密封件，并可以结合一种或者多种密封材料或者其它成分而不背离本发明理念和范围。

在图6中，图1-5所示的增能件21作为简化被省去，留下一个空的环形凹槽22，该凹槽本将布置增能件。结果导致的密封件是属于美国专利文件5678829所教导的柔性唇口类型。环形凹槽22限定动态唇口4和突出静态密封唇口36具有柔性唇口类型。该简化形式更适宜用于需要具有较低的界面接触压力来实现尽可能低的扭矩，但是消除环境磨损排放又不是重要关注点。

动态唇口4的挠性减轻了动态唇口4和相对旋转表面5(参见图1)之间的界面接触轨迹16处的一些接触压力，如果密封件属于直接压缩类型(例如图1-5所示的密封件)，该接触压力将会发生，因此有助于确保较低的扭矩。柔性唇口结构允许使用相对较高模量的材料，该材料将不适宜用于实心整体密封件(无凹槽)，这是由于高界面接触压力会导致需要实心密封。

图6所示的简化密封件2可以由任意适合的密封材料构成，包括弹性体或者类似橡胶材料和各种聚合材料，然而，动态唇口4优选使用加强材料制成，例如，多层纤维加强的弹性体。

如图7-9所示的密封件实施例通常适于容纳在圆形密封槽26中，并在第一机械部件8和相对旋转表面5之间被压缩，如结合图1的上述描述(也就是，在密封槽26的外周壁和相对旋转表面之间的压缩)。

在图7-9中，为简化起见，图1-5的增能件21和环形槽22作被省去，密封件是实心压缩型密封件带有整个一块的密封体74，其中动态唇口4和静态密封面20处于大体相对的位置。除了本发明的动态唇口4独特的液力动态几何结构以外，图7和8的密封件总体按照美国专利文件5230520来制造。在图7中，静态密封表面20是倾斜的。作为进一步的简化，静态密封表面20在图8中是不倾斜的。图7中密封表面20的倾斜结构可增加压缩并改变界面接触压力的分布(与图8的密封件比较)，在低压差应用中，用于减少第一流体6的渗漏和改进第二流体7的排除。

图9是进一步的简化，其中图7和8的突出静态密封唇口36被省略，静态密封表面20由密封件2的非突出外周表面限定。除了本发明动态唇口4的独特几何结构之外，图9的密封件可以采用根据美国专利文件4610319的教导来制造。

图7-9中的简化密封件优选由弹性材料制成，该材料具有额定硬度，范围从大约70到大约90肖式A的硬度。

与现有技术的单个材料结构密封件相比，图7-9的密封件润滑更好，因此适合较高百分比的压缩，并提供更冷却的操作，因此可保持相对高的弹性模量来提高抗挤压能力。

图10-15的替换实施例的描述

图10-15显示处于未压缩状态的表示本发明替换实施例的旋转密封件，其中提供增能件21以使动态唇口4对相对旋转表面5(未示出)弹性加载。第一密封端14朝向第一流体6设置，为了引导读者的目的而进行了数字编号。动态排他***点19、第一流体6和第二流体7的位置为了引导读者的目的也进行了编号。

在图10-12B中，动态唇口4由具有弹性模量的材料制成，增能件21是弹簧，具有比形成动态唇口4的材料更大的弹性模量，增能件21位于环形槽22中。在液力动态密封件中非常希望用弹簧作为增能件，因为其高弹性模量允许它们使动态唇口4跟随相对较高的轴偏差和跳动，并且因为它们相对于许多弹性增能件而言对高温压缩形变的抗性更高。在图10中，增能件21是悬臂弹簧，在图11和12B中，增能件21是斜角螺旋弹簧(canted coilspring)，在图12和12A中，增能件21是箍紧弹簧(garter spring)。

图12的替换实施例显示切点位置T56和动态唇口4的动态排他***点19之间的区域，如果需要可以倾斜，在图12中该区域显示为大体圆锥形。

在图10，11，12B和13中，静态密封表面20是由柔性密封材料构造。在图12和12A中，密封件2具有典型壳体75，典型地为箍紧弹簧增强的、悬臂唇口密封件，并且静态密封表面20是壳体75的一部分。典型地，在具有此类密封结构的情况下，壳体75被压入第一机械部件8(未示出)的孔中，所获得的干涉配合(有时候用例如垫圈密封剂的涂层来增强)在静态密封表面20和孔之间建立密封关系。图12构造成用于保持比第一流体6压力更高的第二流体7，而图12和12B构造成用于保持比第二流体7压力更高的第一流体6。在每种情况中，作用于动态唇口4内部的压差有助于增强其与相对旋转表面5(未示出)的配合。

图13的密封件形成一种合成结构，根据共同转让于美国专利文件5738358的教导，有助于通过减少动态唇口4和相对旋转表面5(未示出)之间的安装界面接触压力来控制楔入运动。动态唇口4由具有弹性模量的密封材料层制成，增能件21由具有比动态唇口4材料的弹性模量小的弹性模量的第二密封材料层制成。例如，肖氏硬度A为30-80的弹性体可以用于制造动态唇口4，肖氏硬度A大于80的材料可以用于制造动态唇口4(例如弹性体或者炭石墨加强PTFE塑料)。因此，在动态唇口4上的抗挤压能力由其弹性模量控制，而动态唇口4和相对旋转表面5(未示出)之间的界面接触压力大部分由增能件21的弹性模量控制。这提供了优良的抗挤压性能、较低的起动和运行转矩。该较低的运行转矩使得运转温度最小并减轻与温度相关的密封件退化。此外，图13的结构相对于图7-9的的实心结构最小化了由压缩引起的液力动态几何形状的扭曲。在图13所示类型的密封件中，形成动态唇口4和增能件21的材料之间的界面可以为任何适当的形式。

已经公知，密封材料的弹性模量越高，密封件对高压挤压损伤的阻力越大。在图10-12B的密封件中和其他具有加强部的密封件中，为了最佳的抗挤压性能，动态唇口4优选采用硬的、较高模量的抗挤压材料制成，例如，挠性聚合材料，高模量弹性体例如具有肖氏硬度A80-97，或者结构加强、纤维加强或金属加强的弹性体，或者高性能耐高温塑料例如炭石墨加强PTFE、或聚酯或者聚酰亚胺填充的PTFE。

在图10、11、12B和13中的密封件显示带有排他***点38和突出的静态密封唇口36，静态密封唇口36限定了倾斜结构的静态密封表面20。在图13中，增能件21限定了突出静态唇口36和静态排他***点38。

图14显示替换实施例，其中复合曲线(虚线所示)从点T78到点T76延伸，优选根据图16B制造，其控制斜坡部分48CCW(和/或斜坡部分48CW)的曲线形状，并允许拉长凹窝40更深以便增加对热膨胀和模具磨损的容忍度。在图14中，动态唇口4、第一密封端14、动态排他***点19和突出静态密封唇口36，为了引导读者用数字标识了出来。

图15和15A是显示拉长凹窝40替换实施例的局部放大阴影视图。图15显示一个完整的逆时针波，图15A显示进一步放大的只有波的液力动态入口部分，这样就可以更好地理解拉长凹窝40。该斜坡部分48CCW沿周向定位，使其大体对准动态排他***点19，因此也对准可能的相对旋转方向。为了取向定位的目的，动态唇口4、静态排他***点38、第一密封端14、凹窝侧翼49和凹窝过渡部50CCW被标识出来。如所示，密封件被构造成用于径向密封，其中动态唇口4取向成大体径向向内朝向密封件的理论中心线，静态排他***点38在直径上大于动态排他***点19。密封件动态表面51如果需要可以略带圆锥，或者如图所示为大体圆柱。

图15B是图15A的液力动态入口几何结构的表面图，因此其可以被很清楚理解。结构轮廓P76和P78和切线轮廓P55被标识，并且作为第一和第二边界来设定一个波的液力动态入口的圆周范围。换句话说，结构轮廓P76和P78显示了拉长凹窝的逆时针部分的边界。结构轮廓P78优选地在位置97弯曲而和结构轮廓P76相会，所以当密封件相对于相对旋转表面压缩的时候，就形成了曲线状的口侧边60CCW(如图2-2B所示)。结构轮廓P76和P78具有不同的轮廓，至少其中一个的一部分周向地远离另外一个。结构轮廓P76形成大体凸曲线，其限定凹窝侧翼49在位置97和位置100之间的形状。结构轮廓P76优选形成位置100和位置102之间的大体凹曲线，该曲线限定形成凹窝过渡部50CCW的形状。结构轮廓P76形成在位置102和位置104之间的大体凸曲线，其限定斜坡部分48CCW的局部形状。凹窝侧翼49优选在位置100与凹窝过渡部50CCW相切，凹窝过渡部50CCW优选在位置102与斜坡部分48CCW相切。

结构轮廓P76优选显示为切线或者大体相切于相邻波的相邻唇口表面，优选为镜像顺时针波(未示出)。为了在由如图15-15B所示的液力动态入口几何结构形成的接触轨迹界面内获得一个平滑的表面，液力动态入口的至少一部分在结构轮廓P76和P78相切于临近唇口表面。结构轮廓P78优选显示切线或者大体相切于逆时针波42CCW的相邻部分(参见图15)。

位于结构轮廓P76和P78之间的图线平行于动态排他***点19，并绘出图15和15A的拉长凹窝40的表面。结构轮廓P78和切线轮廓P55之间的任一图线是主曲线52，在其端点，优选地相切于邻近的表面几何结构(也就是在切点位置T78和T55)。结构轮廓P76和切点位置T55之间的图线是副曲线54，在其端点，优选地相切于邻近唇口表面几何结构(也就是在切点位置T76和T55)。总起来说，各个主曲线52绘制出主曲面，其由切线轮廓P55和结构轮廓78限定范围。各个副曲线52绘制出副曲面，其由切线轮廓P55和结构轮廓76限定范围。优选地，前述的主曲面的至少一部分沿着切线轮廓P55相切与或者基本相切于前述副曲面。

切线轮廓P55是每个图线的主曲线52和副曲线54之间的大体相切线。如图15B所示，切线轮廓T55的周向位置优选地在切线轮廓T55的至少一部分长度上变化。

图15B的图线结构技术的例子在图16和16A中显示；这种方法自动调节主曲线52的曲率作为密封件直径的函数，以保持不同密封件直径的密封件族相对于轴具有一样的收敛率，不同直径的密封件的尺寸定为可适应不同的机器外壳限制。

如图15B所示的接触半径构造方法，在图16和16A中详细描述，其允许两个不同的轮廓(例如但是不限于图15B的结构轮廓P76和P78)在周向平滑地连接起来以产生液力动态入口几何结构。通过控制连接在一起的结构轮廓的形状，可以获得不同的性能特征。

虽然图14-15B显示了构造成用于相对外圆柱表面(例如轴)进行密封，如结合图1-1F密封件所阐述的那样，基本的截面结构同样适于(通过扭转或者制造)被取向成用于面密封，或者用于密封内圆柱表面。

图16-16D的描述

图16-16C显示了一种构造方法，可以用于制作由图15B中的结构轮廓P76和P78限定的区域内的图线，结构轮廓P76和P78限定了如图15和15A所示的拉长凹窝40的表面。图16-16C的构造方法事实上可以用于连接两个结构轮廓来形成液力动态入口，无论是否一个结构轮廓在周向上弯曲以接触到其他的轮廓。图16-16C的构造方法还通常可以用于建立图1-1F中斜坡部分48CW的复合曲线，其中它将最适用于从图1B中所见的斜坡部分48CW的缩短图。在所有情况中，构造方法优选布置在第三角度投影面上，该投影面与密封件理论轴线成直角，该密封件被构造成用于密封一相对旋转轴(也就是，平行于图1A、15或15A中所示的第一密封端14和动态排他***点19)。

构造线86和构造线88，为了参考目的被绘制出来，是从密封件的理论中心线/轴线90(参见图16A)延伸的半径线。图16-16C的构造线88位于图1B的截面D-D的断面上。理论弧线92是相切于主曲线52的线，从构造线86延伸到构造线88。理论弧线92表示邻近于主曲线52(例如参见图1A和15)的密封表面的直径。主曲线52优选与理论弧线92相切，因此相切于由理论弧线92表示的邻近密封材料。主曲线52优选地在相切位置T55与副曲线54相切。

副曲线54的功能是防止顺时针波42CW和逆时针波42CCW(参见图1A)之间有尖锐交叉，并提供局部波深96以在密封操作中适应公差、压缩变化和不同热膨胀，防止几何结构相对于相对旋转表面5整体变平。最好避免前述的尖锐交叉，因为尖锐交叉有时候会导致旋转密封件的橡胶疲劳，而且因为产生尖锐交叉的模具几何结构磨损比较快且以这样一种方式增加密封件的直径，即，当较高水平的热膨胀、轴向密封负载、压缩或者介质引起的密封件膨胀出现的时候，密封件直径的增加会损害其性能。

主曲线52在斜坡部分48CW和/或48CCW与如图所示的在圆周方向上(参见图1和17)相对表面5之间形成收敛率。收敛率是液力动态性能的一个重要方面，因为它可控制在动态唇口4和相对表面5之间的圆周方向的接触压力的增加率(被叫做DPDX)。

例如，如果主曲线52的尺寸对于相对轴密封的不同半径的密封件族(结合图17如前所述，适应各种装备的外壳限制)而言保持相同，则轴的相对旋转表面5的收敛率作为相对旋转表面5的直径的函数而变化。对于给定尺寸的主曲线52而言，轴越大，收敛率变得越渐进，使得主曲线52成为更有效的液力动态楔入几何结构。相反地，对于给定尺寸的主曲线52而言，轴越小，收敛率的渐进变得越少，使得主曲线52成为效率较低的液力动态楔入几何结构。对于一族密封件直径使用一个固定曲率，会引起密封件族的收敛变化，如结合图17所描述的，这是现有技术的缺陷。在本发明的优选实施例中，对于一个密封件直径族而言的收敛率是近似相同的，使该密封件直径族的液力动态几何结构保持相同的液力动态楔入效率，从而允许一族密封件直径具有类似的液力动态特征。这种构思将结合图17和17A来具体描述。

在图16-16C中，如果主曲线52的主弧线深度94和主弧线长度80保持不变，则相对旋转表面5相对图15-15B所示的液力动态入口或图1-F的斜坡部分48CW、48CCW的收敛率，可以在不同直径的径向密封件族保持大体一致。主弧线长度80不是角度，而是沿着理论弧线92从相切位置T78至位置79测量的弧长尺寸。同样，副弧长82也不是角度，而是沿着理论弧线92从位置79到位置81测量的弧长尺寸。组合弧长83是主弧长80和副弧长82的总和。

使用图16和16A所示的结构，使具有相同局部波深96的不同直径的径向密封件族保持大体相同收敛率的最好方式，就是对于一族密封件直径保持组合弧长83大体不变，同时还保持副弧长82除以组合弧长83的比率大体不变。如果局部波深96在密封件和密封件之间发生变化，则主曲线52的几何结构将不得不因此进行调整以保持密封件与密封件之间具有相同的收敛度。

在前述的对弧深94和主弧长80有约束限制(为了实现对一族密封件的相同收敛)的情况下，一个需要考虑的微妙点就是，如果主曲线52构造为相切于理论弧线92构造，那么主曲线52(及斜坡部分48CW)在较大直径密封件(参见图16)中具有大致凸出形状，在小直径密封件(参见图16A)中具有大致凹入形状，因此使不同直径的密封件族在斜坡部分48CW和相对旋转表面5之间保持大致相同的收敛率，而不管波的圆周长度如何。因此，对于给定的曲率而言，可能有导致主曲线成为一直线(无限大曲线)的密封件直径；较大直径密封件有大致凸出的主曲线52；较小直径密封件具有大致凹入的主曲线52。如果主曲线52具有凹形，那么当从圆周向的横剖面观察凹窝过渡部将通常具有大致凹形。因此，当从圆周向横剖面观察时，由拉长凹窝形成的液力动态入口的至少一部分将具有大致凹入的形状。

例如，如果一族密封件模仿一原型密封构造，该原型密封件具有2.75”的内径，其具有一带有0.5”凸出出半径的主曲线52，在0.6”内径的密封件上的主曲线52将具有大约1.468”的凹入半径，而16.5”直径的密封件的主曲线52具有大约0.383”的凸出半径。所有前述密封件族的主曲线52对于各自的轴将具有大致相同的收敛率，即使它们的实际曲率是不相同的，即使其中一些是凸的以及一些是凹的。

回过来参考图15B，切线轮廓P55的位置变化是因为副弧长82除以组合弧长83的的比率从一个图线到下一个图线作正弦地变化，从结构轮廓P76和P78接触的位置97的0.5的比率，变化到轮廓P55几乎与轮廓P76相平行的位置98的一个较小的比率。这种正弦的比率变化有助于产生如图15和15A所示的、没有凸线的、平滑轮廓的凹窝过渡部50CCW。

对于如图15和15A所示的、由图15B的图线产生的拉长凹窝结构，主曲线52在一些位置是大致凸出的，在一些位置是大致凹入的，取决于局部主弧线长80和主弧深94。例如，一些位于位置97附近的主曲线52明显是凹入的，远离位置97的是明显凸出的。

因此，相对于轴的实际收敛度会在图15B中从一个图线到下一个图线变化。重要的是，只要主弧线长80和主弧深94保持相同，或者只要联合弧长83以及副弧长82除以联合弧长83的比率在任何给定的图线位置对于一族不同的密封件直径保持相同，则从一个图线到另外一个图线的收敛度就是从一个密封件到另一个密封件可以重复的。

回过来参考图1-1F，拉长凹窝40对相对旋转表面5的收敛度在圆周方向上可以由三个互相依赖的元素来控制：斜坡部分48CW和48CCW、凹窝侧翼49、以及凹窝过渡部50CW和50CCW。控制相对旋转表面5与斜坡部分48CW和48CCW之间的对于不同直径密封件族的收敛度的方法已经在上面进行了讨论。假设斜坡收敛度也相同，如果凹窝侧翼49表面的T56和T57之间的大致凸出曲线的尺寸变化对于不同直径的密封件族保持一致且发生在相同的圆周距离上，则相对旋转表面5与图1-1F所示的凹窝侧翼49之间的周向收敛度对不同半径的密封件族而被保持。如果凹窝过渡部50CW和50CCW的尺寸变化对不同直径的密封件族是相同的且发生在相同的圆周距离上，则相对旋转表面5和图1-1F的凹窝过渡部50CW和50CCW之间的收敛度也可以对不同直径的密封件族而被保持。

主曲线51和副曲线54可以采用不脱背离本发明的理念和范围的任何适当的形式，如圆弧、椭圆的一部分、正弦波的一部分、抛物线的一部分、摆线的一部分、箕舌线的一部分、组合曲线、曲线和直线(例如，无限曲线)的组合，等等。

例如，在图16B中的副曲线54显示为一个S曲线，促进较深的局部波深96，而在图16和16A中，副曲线54显示为圆弧。在图16-16C中，主曲线52显示为在图16-16C中实际具有相同尺寸的圆弧。主曲线52的中心沿着图16-16C的构造线86定位。副曲线54的中心沿图16-16A的构造线88定位。为了详细说明的目的，当涉及构造线86和88时，它们被看成具有无限长度的直线，延伸超过所示的图面显示。

图16B所示的构造方法，用于产生图14所示的拉长凹窝42。可以预见，采用图16B所示的构造方法，任何所需深度的局部波深96都可以产生。

在图16C中，如果需要，副曲线54的形状为可以将主曲线52与构造线88分开，可以理解，由于凹窝侧翼49(凹窝侧翼49显示在其他图中，例如参见图1A)的关系，采用本方法形成的相邻波仍将处于邻接的关系。

图16D所示的构造方法可以用于建立凹窝侧翼49(如图1-1F所示)的可变曲率的变化率，并因此控制凹窝侧翼49对相对旋转表面5的收敛度，也因此控制会影响相对旋转表面5与凹窝过渡部50CW和50CCW之间的收敛度的一个重要因素。

优选地，图16D的构造方法被布置在第三角度投影面上，该投影面与密封件理论轴线成直角，该密封件构造成用于密封一相对旋转轴(也就是，平行于图1A、15或15A所示的第一密封端14和动态排他***点19)。

为了便于读者定向，在图16D中，一些结合图16论述的项目被标识如下：主曲线52、副曲线54、切点T55、切点T76、切点T78、位置81、组合弧长83、构造线86、构造线88和理论弧线92。除了这些项目之外，图16D还显示了一个主侧曲线(flank curve)152，该曲线在切点T155大致相切于副侧曲线154，并与理论弧线92和密封动态表面51相切于切点T178。主侧曲线152和副侧曲线154代表了多功能边46CW和46CCW和凹窝侧翼49之间的理论交点位置(这些理论交点由凹窝过渡部50CW和50CCW融合到一起，参见图1-1F)。前述的理论交点位置位于多功能边46CW和46CCW与凹窝侧翼49相交的位置(如果它们的弯曲表面延伸成在一个锐角相交，而不是由凹窝过渡部50CW和50CCW融合)。

构造线186，为了参考的目的被绘制出来，其是从密封件的理论中心线/轴线延伸的径向线。如果主侧曲线152的弧深194和弧长180保持不变，则凹窝侧翼49对于相对旋转表面5的收敛率可以保持为对于不同直径的径向密封件族是大致不变的，。弧长180不是一个角度，而是沿着理论弧线92从切点位置T178到位置179测量的弧长尺寸。同样，弧长182不是一个角度，而是沿着理论弧线92从位置179到位置81测量的弧长尺寸。组合弧长183是弧长182和弧长180的总和。典型地，组合弧长183大于组合弧长83。如果需要，组合弧长183和/或组合弧长83可以一直延伸到位于图1B中的断面F-F波的低点。

在实践中，借助图16D图示的构造，使凹窝侧翼49的收敛率对具有相同波深196的不同直径径向密封件族保持不变的优选方式，就是使组合弧长183对于一族密封件直径大体保持不变，同时使弧长182除以组合弧长183的比率保持不变。如果弧深196在不同密封件之间变化，主侧曲线152的几何结构必须因此进行调整，以维持不同密封件之间的相同收敛度。

通过前述对于弧深194和弧长180的限制(为了对于密封件族实现类似的收敛)，要考虑一个微妙点，即，如果主侧曲线152被构造成与理论弧线92相切，则主侧曲线152在大直径密封件中具有大致凸出形状(如图16D所示)，在小直径密封件中具有大致凹入形状，因此，使不同直径的密封件族在凹窝侧翼49和相对旋转表面5之间的收敛率保持不变，而不管波的圆周长度如何。因此，对于给定的弯曲率，有一个会导致主侧曲线152为一直线(无限大曲线)的密封件直径；大直径密封件具有大致凸出的主侧曲线152；小直径密封件具有大致凹入的主侧曲线152。

主侧曲线152和副侧曲线154可以采用不背离本发明理念和范围的任何适当的形式，例如采用圆弧，椭圆的一部分，正弦波曲线的一部分，抛物线的一部分，摆线的一部分，箕舌线的一部分，组合曲线，曲线和直线(例如，无限曲线)的组合，等等。例如，副侧曲线154可以和图16B和16C所示的副曲线54具有相同的整体形状。

为了说明的目的，密封件横截面深度是指静态密封表面20和密封动态表面51之间的距离，如在密封件2的未压缩状态下在动态排他***点19和静态排他***点38之间测量的。可以预先注意的是，对于相同的尺寸压缩，具有小横截面深度的干涉型密封件具有较高的压缩百分比(相对于大横截面深度的密封件)，因此具有较高的界面接触压力，使得小横截面密封件润滑比较困难。例如，具有0.023”压缩的0.212”横截面密封件比具有0.026”压缩的0.335”横截面密封件的接触压力要大52％。还可以预见注意的是，使不同直径的密封件族保持大体一样的收敛率的液力动态入口是对现有技术的重大改进。另外一个对于现有技术的重大改进是，减小了小横截面密封件中密封液力动态入口和轴之间的收敛率(例如，使得收敛更为平缓)，以提供更强的液力动态楔入运动来补偿随着小横截面密封件发生的增加的界面接触压力。换句话说，在包括为了不同设备的外壳限制的一族密封件中，液力动态入口的收敛率优选在较小横截面密封件中更为缓和，以补偿较小横截面深度引起的增加的接触压力，从而为不同密封横截面族提供相同的润滑水平。

结论

有鉴于前面的描述，显然本发明是一种较好的、适用于达到在此阐述的特征和目的的发明，还具有这里所揭示的设备的内在的其他目的和特征。

即使一些特殊的液力动态旋转密封件和密封套几何结构在此被详细揭示，但其他的采用本发明的基本原则和教导的几何变形也是可能的。

前述的本发明的揭示和描述在这里是其中显示说明和解释的，尺寸、形状和材料的各种变化也在示出的结构中具体描述，可以不脱离本发明的精神制造。因此，现有的实施例仅仅是为了展示而不是限制，本发明的范围是由权利要求指出的而不是在前的描述，在本发明的权利要求等同的含义和范围之内的全部变化都旨在被包含。

Claims (41)

1.一种液力动态旋转密封件，由机械元件定位并用于动态密封配合于相对旋转表面，用于分隔作为润滑剂供给的第一流体和第二流体，包括：

与机械元件形成密封界面的静态密封表面；

大致圆形的动态唇口，所述动态唇口的至少一部分与相对旋转表面保持压缩、接触关系，以在所述动态唇口和相对旋转表面之间限定界面接触轨迹；

其中，在所述动态唇口和相对旋转表面之间的相对旋转过程中，所述界面接触轨迹是动态密封界面，并具有发生在所述动态唇口和相对旋转表面之间的滑动，在没有相对旋转的时候所述静态接触轨迹是静态密封界面；

所述动态唇口包括：

对着第一流体的第一唇口侧，

对着第二流体的第二唇口侧，

具有接近所述第一唇口侧的第一多功能边的第一波，所述第一多功能边的至少一部分相对于相对旋转方向倾斜，所述第一多功能边的至少一部分形成为具有朝相对旋转表面弯曲的至少一部分的第一斜坡部分；

具有接近于所述第一唇口侧的第二多功能边的第二波，所述第二多功能边的一部分至少相对于相对旋转方向倾斜并与所述第一多功能边的所述倾斜部分相对地倾斜，所述第二多功能边的至少一部分形成为具有朝相对旋转表面弯曲的至少一部分的第二斜坡部分；以及

拉长凹窝，其限定用于所述第一波的第一液力动态入口，所述拉长凹窝具有部分地由所述第一斜坡部分形成的第一侧，并且所述拉长凹窝的所述第一侧的至少一部分具有沿第一周向的第一倾斜轮廓，所述第一倾斜轮廓适于沿第一周向对于相对旋转表面提供逐步收敛关系。

2.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一多功能边和所述第二多功能边在所述界面接触轨迹中产生升高接触压力区域。

3.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一波和所述第二波是大致互为镜像。

4.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一波是顺时针波，第二波是逆时针波，所述顺时针波适于响应顺时针相对旋转而将第一流体膜转移到所述第二唇口侧，所述逆时针波适于响应逆顺时针旋转而将第一流体膜转移到所述第二唇口侧。

5.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所有所述第一斜坡部分和所述第二斜坡部分相对于相对旋转方向倾斜。

6.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口包括陡峭环状的动态排他***点，并且当沿纵向横剖面观察时，所述第一多功能边和所述第二多功能边是弯曲的，并且所述第一多功能边和所述第二多功能边中的至少一些的曲率沿着所述多功能边的长度的至少一部分变化，所述斜坡部分开始处的曲率较大，而所述多功能边最靠近所述动态排他***点处的曲率较小。

7.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一多功能边和所述第二多功能边具有正弦变化的曲率。

8.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，进一步包括将所述动态唇口加载于相对旋转表面的增能件。

9.如权利要求8所述的旋转密封件，其特征在于，所述增能件是一个弹性环。

10.如权利要求8所述的旋转密封件，其特征在于，所述增能件是一个悬臂弹簧。

11.如权利要求8所述的旋转密封件，其特征在于，所述的增能件是一个箍紧弹簧。

12.如权利要求8所述的旋转密封件，其特征在于，所述增能件是一个斜角螺旋弹簧。

13.如权利要求8所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口由具有弹性模量的材料制成，所述增能件是具有比所述动态唇口弹性模量大的弹性模量的弹簧。

14.如权利要求8所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口是由第一密封材料层制成，所述增能件是由第二密封材料制成。

15.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述静态密封表面是突出静态密封唇口的一部分。

16.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述静态密封表面是倾斜表面。

17.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，旋转密封件进一步包括整体的、用于相对一轴进行径向密封的实心截面的密封件。

18.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述拉长凹窝使所述界面接触轨迹具有第一周向突出边和第二周向突出边，在第一周向，所述第一周向突出边周向延伸超过第一凹入轨迹边，在第二周向，所述第二周向突出边周向延伸超过第二凹入轨迹边，所述界面接触轨迹包括在第一凹入轨迹边和第二凹入轨迹边之间的第一口侧边和第二口侧边，所述口侧边相对于第一周向和第二周向弯曲和倾斜。

19.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述拉长凹窝使所述界面接触轨迹具有第一周向突出边和第二周向突出边，在第一周向，所述第一周向突出边周向延伸超过第一凹入轨迹边，在第二周向，所述第二周向突出边周向延伸超过第二凹入轨迹边，所述界面接触轨迹限定了在所述第一凹入轨迹边和第二凹入轨迹边之间的所述界面接触轨迹的最窄位置处的最小口宽度和沿所述第一多功能边和第二多功能边的所述界面接触轨迹的最窄位置处的最小转换宽度，所述的最小口宽度小于所述的最小转换宽度。

20.如权利要求18所述的旋转密封件，其特征在于，所述倾斜的第一口侧边使得所述第一口侧边在顺时针相对旋转方向上作为液力动态入口，所述倾斜的第二口侧边在逆时针相对旋转方向上作为液力动态入口。

21.如权利要求18所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一口侧边和第二口侧边处于邻接关系。

22.一种液力动态旋转密封件，由机械元件定位并用于动态密封配合于相对旋转表面，并分隔用作润滑剂供给的第一流体和第二流体，包括：

与机械部件形成密封界面的静态密封表面；

大致圆形的动态唇口，所述动态唇口具有相对所述相对旋转表面形成密封表面的动态表面，所述动态唇口包括：

具有第一多功能边的第一波，所述第一多功能边的至少一部分形成了第一斜坡部分；

具有第二多功能边的第二波，所述第二多功能边的至少一部分形成了第二斜坡部分；

其中所述的第一斜坡部分和第二斜坡部分向相对旋转表面弯曲，并且其中，所述第一多功能边和第二多功能边中的每一个的至少一部分相对于相对旋转方向倾斜；

相对所述动态表面凹进的拉长凹窝，所述拉长的凹窝包括当从纵向横截面观察时具有大体凸出的曲线状轮廓的凹窝侧翼，所述拉长凹窝具有部分地由所述第一斜坡部分形成的第一侧，并且所述拉长凹窝的所述第一侧的至少一部分具有沿第一周向的第一倾斜轮廓。

23.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口包括陡峭环状的动态排他***点，所述凹窝侧翼具有可变的曲率，在所述拉长凹窝最深位置处的所述侧翼的曲率最大，并且沿所述波的长度变小，直至曲率接近一直线，从而在所述动态排他***点和所述多功能边的所述部分之间形成所述动态表面。

24.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，所述拉长凹窝具有部分地由所述第二斜坡部分形成的第二侧。

25.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，每一个所述斜坡部分部分地控制所述拉长凹窝相对于相对旋转表面的安装收敛度。

26.如权利要求23所述的旋转密封件，其特征在于，所述凹窝侧翼的变化曲率的变化率部分地控制所述凹窝侧翼相对于相对旋转表面的安装收敛度。

27.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，每个所述斜坡部分的至少一部分保持与相对旋转表面的压缩、接触关系，每个所述斜坡部分的至少一部分从相对旋转表面倾斜出来以形成液力动态楔入几何结构。

28.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口建立了至少部分由所述凹窝侧翼和所述第一斜坡部分相对于相对旋转表面压缩而产生的第一凹入轨迹边，以及至少部分由所述凹窝侧翼和所述第二斜坡部分相对于相对旋转表面压缩而产生的第二凹入轨迹边。

29.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口的至少一部分与相对旋转表面保持压缩、接触关系，以在所述动态唇口和所述旋转表面之间限定界面接触轨迹，所述的界面接触轨迹具有面对第一流体的非圆的第一轨迹边和面对第二流体的第二轨迹边，所述第一轨迹边具有第一周向突出边，其超过第一凹入轨迹边延伸。

30.如权利要求29所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一轨迹边具有第二周向突出边，其超出第二凹入轨迹边沿周向延伸，并与所述第一周向突出边成相对的关系。

31.如权利要求30所述的旋转密封件，其特征在于，所述第二轨迹边具有大致圆形的结构，并与所述动态唇口和相对旋转表面之间的相对旋转方向大体一致。

32.如权利要求30所述的旋转密封件，其特征在于，所述动态唇口包括一动态排他***点，其具有陡峭圆环形式并与所述动态唇口和相对旋转表面之间的相对旋转方向大体一致。

33.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，在安装后，所述动态唇口经受对于所述相对旋转表面的压缩，在未安装状态，所述动态唇口包括：至少一个液力动态入口，其具有第一周向的曲线，并且至少部分所述曲线是凹入的。

34.如权利要求22所述的旋转密封件，其特征在于，在安装后，该旋转密封件承受对于所述相对旋转表面的压缩，在未安装状态的旋转密封件包括：

具有至少一个液力动态入口的所述动态唇口；和

至少部分的所述液力动态入口由大致周向取向的大体直线部分限定。

35.如权利要求1所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一液力动态入口至少部分地由第一大体凸出表面和第二大体凸出的表面形成，当沿纵向模剖面观察时，所述大体凸出表面与位于所述第一大体凸出表面和所述第二大体凸出表面之间的大体凹入表面大体相切。

36.如权利要求35所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一大体凸出表面和第二大体凸出表面中的至少一个具有可变曲率。

37.如权利要求35所述的旋转密封件，其特征在于，所述大体凹入表面具有可变曲率。

38.如权利要求35所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一大体凸出表面和所述第二大体凸出表面中的一个是所述第一斜坡部分，所述第一斜坡部分弯曲进入与相对旋转表面的接触，相对旋转表面至少部分地暴露于作为润滑剂供给的第一流体。

39.如权利要求38所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一大体凸出表面和第二大体凸出表面的至少一部分和所述大体凹入表面的至少一部分与相对旋转表面接触，并形成了至少一部分界面接触轨迹。

40.如权利要求39所述的旋转密封件，其特征在于，所述大体凹入表面使所述界面轨迹具有第一凹入轨迹边，以及

所述第一斜坡部分使所述界面接触轨迹具有第一周向突出边，该第一周向突出边经过所述第一凹入轨迹边延伸。

41.如权利要求38所述的旋转密封件，其特征在于，所述第一大体凸出表面和第二大体凸出表面和所述大体凹入表面一起形成了所述拉长凹窝的至少一部分；以及

所述第一斜坡部分包括主曲线和副曲线，所述主曲线大体相切于所述副曲线，所述第一斜坡部分通过所述主曲线和副曲线而形成弯曲以与相对旋转表面的接触，所述副曲线形成局部波深，以在不利的操作条件下提供与相对旋转表面的间隙。

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