BR112020006859B1

BR112020006859B1 - SEALING ARRANGEMENT

Info

Publication number: BR112020006859B1
Application number: BR112020006859-4A
Authority: BR
Inventors: Olaf Nahrwold; Stefan Sindlinger; Boris Traber; Sascha Möller
Original assignee: Carl Freudenberg Kg
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2024-04-16

Abstract

A presente invenção refere-se a uma disposição de vedação (1) para a vedação de uma fenda entre um elemento de máquina (2) e um alojamento (3) compreendendo ao menos um elemento de vedação (4), estando o elemento de vedação (4) previsto ao menos parcialmente eletricamente condutor e sendo previsto um isolamento (5), que isola eletricamente o elemento de vedação (4) do elemento de máquina (2) e do alojamento (3).The present invention relates to a sealing arrangement (1) for sealing a gap between a machine element (2) and a housing (3) comprising at least one sealing element (4), the sealing element being (4) provided at least partially electrically conductive and an insulation (5) being provided, which electrically isolates the sealing element (4) from the machine element (2) and the housing (3).

Description

[001] A invenção refere-se a uma disposição para vedação de uma fenda entre um elemento de máquina e um alojamento, compreendendo ao menos um elemento de vedação.[001] The invention relates to an arrangement for sealing a gap between a machine element and a housing, comprising at least one sealing element.

[002] Vedações, especialmente vedações dinamicamente solicitadas, são utilizadas durante as vidas úteis previstas, para o que contribuem diversos fenômenos de desgaste. Por fadiga de material pode ceder a tensão de contato da vedação, assim como diminuir a força de compressão. Por desgaste e comportamento de fixação podem se alterar as dimensões da vedação. Essas operações fazem com que inicialmente ocorra um vazamento e, em seguida, a falha do sistema de vedação. Mas também vedações estaticamente solicitadas se desgastam durante a vida útil prevista. Para isso contribui especialmente o comportamento de fixação.[002] Seals, especially dynamically stressed seals, are used during their expected service lives, to which various wear phenomena contribute. Due to material fatigue, the contact tension of the seal can weaken, as well as reducing the compression force. Due to wear and fastening behavior, the dimensions of the seal can change. These operations initially cause a leak and then failure of the sealing system. But also statically stressed seals wear out during their expected service life. The clamping behavior especially contributes to this.

[003] Para o monitoramento de vazamentos de vedações é conhecido integrar na vedação um dispositivo para monitoramento de vazamento. Da DE 10 2007 007 405 B4 é conhecido um dispositivo elétrico para identificação do estado de desgaste de um elemento de vedação dinâmico. O elemento de vedação compreende um segmento eletricamente condutor e um segmento eletricamente não-condutor, que se encontra em contato com o elemento de máquina a ser vedado. O elemento de máquina é igualmente eletricamente condutor. Por desgaste do elemento de vedação, o material de vedação eletricamente não condutor se desgasta, de modo que o material de vedação eletricamente condutor entra em contato com o elemento de máquina. Fecha-se então um circuito e pode ser determinado que o elemento de vedação está fechado.[003] To monitor seal leaks, it is known to integrate a leak monitoring device into the seal. An electrical device for identifying the wear state of a dynamic sealing element is known from DE 10 2007 007 405 B4. The sealing element comprises an electrically conductive segment and an electrically non-conductive segment, which is in contact with the machine element to be sealed. The machine element is also electrically conductive. By wear of the sealing element, the electrically non-conductive sealing material wears out, so that the electrically conductive sealing material comes into contact with the machine element. A circuit is then closed and it can be determined that the sealing element is closed.

[004] Nessa execução é desvantajoso que não possa ser detectada nenhuma alteração de estado gradual. Só pode ser determinado que o limite de desgaste está atingido e que o elemento de vedação deve ser trocado.[004] In this execution, it is disadvantageous that no gradual state change can be detected. It can only be determined that the wear limit has been reached and that the sealing element must be replaced.

[005] A invenção tem por objetivo disponibilizar uma disposição de vedação, que possibilite um monitoramento contínuo do estado do elemento de vedação, sendo a disposição de vedação facilmente mon- tável.[005] The invention aims to provide a sealing arrangement, which allows continuous monitoring of the state of the sealing element, with the sealing arrangement being easily mountable.

[006] Esse objetivo é alcançado com as características da reivindicação 1. As sub-reivindicações fazem referência a execuções vantajosas.[006] This objective is achieved with the characteristics of claim 1. The sub-claims refer to advantageous executions.

[007] Para atingimento do objetivo, compreende a disposição de vedação para a vedação de uma fenda entre um elemento de máquina e um alojamento compreendendo ao menos um elemento de vedação, estando o elemento de vedação previsto ao menos parcialmente eletricamente condutor e sendo previsto um isolamento, que isola eletricamente o elemento de vedação do elemento de máquina e do alojamento.[007] To achieve the objective, it comprises a sealing arrangement for sealing a gap between a machine element and a housing comprising at least one sealing element, the sealing element being provided at least partially electrically conductive and a insulation, which electrically isolates the sealing element from the machine element and the housing.

[008] Pelos fenômenos de desgaste acima descritos, como fadiga de material, desgaste e comportamento de fixação se altera a tensão de contato dos elementos da disposição de vedação com relação ao elemento de máquina a ser vedado. Pela duração de operação diminui, portanto, gradativamente a tensão de contato.[008] Due to the wear phenomena described above, such as material fatigue, wear and fastening behavior, the contact tension of the elements of the sealing arrangement changes with respect to the machine element to be sealed. Therefore, the contact voltage gradually decreases over the duration of operation.

[009] A alteração da tensão de contato pode ser determinada por meio de sensores. Sensores apropriados para isso são, por exemplo, sensores de pressão ou elementos de medição de dilatação, que transmitem um sinal elétrico a uma eletrônica de avaliação.[009] The change in contact voltage can be determined using sensors. Suitable sensors for this are, for example, pressure sensors or expansion measuring elements, which transmit an electrical signal to evaluation electronics.

[0010] Na execução segundo a invenção, o elemento de vedação é equipado ao menos parcialmente eletricamente condutor, de modo que a alteração da tensão de contato é diretamente detectável pelo elemento de vedação. Assim, a função de sensor está diretamente integrada no elemento de vedação. Não é necessário prever um sensor separado. Alterando-se a tensão de contato, durante a operação, por desgaste ou comportamento de fixação, alteram-se as propriedades elétricas do elemento de vedação equipado ao menos parcialmente eletricamente condutor.[0010] In the embodiment according to the invention, the sealing element is equipped at least partially electrically conductive, so that the change in contact voltage is directly detectable by the sealing element. Therefore, the sensor function is directly integrated into the sealing element. It is not necessary to provide a separate sensor. Changing the contact voltage during operation, due to wear or clamping behavior, changes the electrical properties of the sealing element equipped at least partially electrically conductive.

[0011] Segundo a invenção, a alteração da tensão de contato ou o comportamento de desgaste do elemento de vedação é detectada in- trinsicamente por meio do equipamento eletricamente condutor. Por isso é necessário isolar o elemento de vedação com relação a elementos vizinhos e eletricamente condutores. Garante-se assim que, para a determinação do desgaste ou para determinação da alteração da tensão de contato, sejam consideradas apenas as propriedades elétricas do elemento de vedação equipado ao menos parcialmente eletricamente condutor. Um contato eletricamente condutor entre elemento de contato e elemento de máquina ou alojamento falsificaria o resultado da medição.[0011] According to the invention, the change in contact voltage or the wear behavior of the sealing element is detected intrinsically by means of electrically conductive equipment. Therefore, it is necessary to isolate the sealing element from neighboring electrically conductive elements. This ensures that, to determine wear or to determine changes in contact voltage, only the electrical properties of the sealing element equipped at least partially electrically conductive are considered. An electrically conductive contact between contact element and machine element or housing would falsify the measurement result.

[0012] Conforme uma primeira execução vantajosa, o elemento de vedação é provido de um invólucro formando o isolamento. O invólucro pode ser executado de um material de vedação e entrar em contato diretamente ou indiretamente com o elemento de máquina. O comportamento de desgaste do elemento de vedação é então determinado no interior do elemento de vedação. Um desgaste do elemento de vedação e, com isso, a necessidade de uma troca já é dada quando a tensão de contato do elemento de vedação fica aquém de um valor predeterminado. Não tem lugar um contato direto do elemento de vedação, ou do segmento eletricamente condutor do elemento de vedação, com o elemento de máquina a ser vedado.[0012] According to a first advantageous embodiment, the sealing element is provided with a casing forming the insulation. The casing may be made of a sealing material and come into contact directly or indirectly with the machine element. The wear behavior of the sealing element is then determined inside the sealing element. Wear of the sealing element and, therefore, the need for replacement occurs when the contact voltage of the sealing element falls below a predetermined value. There is no direct contact of the sealing element, or the electrically conductive segment of the sealing element, with the machine element to be sealed.

[0013] Conforme uma execução alternativa, o alojamento apresenta um espaço de montagem para o elemento de vedação, sendo o espaço de montagem provido de um revestimento formando o isolamento. O espaço de montagem pode então, por exemplo, ser executado em forma de uma ranhura anular, sendo as paredes laterais e a base da ranhura providas de do revestimento. O revestimento consiste, de preferência, em um material polimérico.[0013] According to an alternative embodiment, the housing has a mounting space for the sealing element, the mounting space being provided with a coating forming the insulation. The mounting space can then, for example, be made in the form of an annular groove, the side walls and the base of the groove being provided with a coating. The coating preferably consists of a polymeric material.

[0014] Um isolamento elétrico relativamente ao elemento de máquina pode resultar do fato de que entre o elemento de vedação e o elemento de máquina é previsto ou um outro isolamento ou um outro elemento de vedação. Por exemplo, a disposição de vedação pode apresentar um elemento de vedação executado como anel em O e um outro elemento em forma de uma guarnição. O elemento de vedação fica então disposto sobre o outro elemento de vedação no lado periférico externo e produz uma compressão radial do outro elemento de vedação no elemento de máquina. Nessa execução, ocorre uma ativação do outro elemento de vedação pelo elemento de vedação. Outros elementos de vedação assim executados são configurados frequentemente de PTFE.[0014] An electrical isolation with respect to the machine element may result from the fact that either another insulation or another sealing element is provided between the sealing element and the machine element. For example, the sealing arrangement may have a sealing element in the form of an O-ring and another element in the form of a gasket. The sealing element is then disposed over the other sealing element on the outer peripheral side and produces a radial compression of the other sealing element in the machine element. In this embodiment, the other sealing element is activated by the sealing element. Other sealing elements thus manufactured are often made of PTFE.

[0015] O elemento de vedação é executado, de preferência, de plástico equipado condutoramente. Para tanto, o elemento de vedação pode ser provido de partículas eletricamente condutoras, por exemplo partículas contendo ferro ou partículas contendo carbono. É especialmente viável que o elemento de vedação seja executado de material elastomérico, que seja provido de partículas eletricamente condutoras.[0015] The sealing element is preferably made of conductively equipped plastic. To this end, the sealing element can be provided with electrically conductive particles, for example iron-containing particles or carbon-containing particles. It is especially feasible for the sealing element to be made of elastomeric material, which is provided with electrically conductive particles.

[0016] A disposição de vedação pode compreender uma unidade de avaliação, que detecta a resistência elétrica do elemento de vedação, especialmente alterações devido ao assim chamado efeito de pi- ezo-resistência.[0016] The sealing arrangement may comprise an evaluation unit, which detects the electrical resistance of the sealing element, especially changes due to the so-called piezo-resistance effect.

[0017] De preferência, o elemento de vedação encosta com pro- tensão no elemento de máquina ou no outro elemento de vedação, sendo que a resistência do elemento de vedação detectada pela unidade de avaliação se altera em função da protensão. A protensão se altera pelo comportamento de desgaste acima descrito e se reduz gra- dativamente.[0017] Preferably, the sealing element touches the machine element or other sealing element with prestress, with the resistance of the sealing element detected by the evaluation unit changing depending on the prestress. The prestress changes due to the wear behavior described above and gradually reduces.

[0018] A resistência elétrica do elemento de vedação, detectada pela unidade de avaliação, pode se alterar em função do comportamento de fixação. Ademais, a resistência elétrica pode se alterar na medida em que a disposição das partículas eletricamente condutoras dentro do elemento de vedação se altere por alteração das relações de tensão no interior do elemento de vedação, o que se segue a uma alteração da resistência elétrica. Esse comportamento é comparável àquele de um efeito piezoresistente.[0018] The electrical resistance of the sealing element, detected by the evaluation unit, may change depending on the fastening behavior. Furthermore, the electrical resistance may change as the arrangement of the electrically conductive particles within the sealing element changes due to changes in the voltage relations within the sealing element, which follows a change in the electrical resistance. This behavior is comparable to that of a piezoresistive effect.

[0019] O elemento de vedação pode ser provido de elementos de contato eletricamente condutores. Para tanto, um ou mais cabos podem ser montados no elemento de vedação, ou incorporados por vulcanização no elemento de vedação. Alternativamente, do elemento de vedação podem ser executadas talas de material eletricamente condutor. As talas podem então ser executadas integralmente e em uma só peça com os segmentos eletricamente condutores do elemento de vedação.[0019] The sealing element may be provided with electrically conductive contact elements. To this end, one or more cables can be mounted on the sealing element, or incorporated by vulcanization into the sealing element. Alternatively, splints made of electrically conductive material can be made of the sealing element. The splints can then be made integrally and in one piece with the electrically conductive segments of the sealing element.

[0020] O elemento de vedação pode apresentar vários segmentos eletricamente condutores. Para tanto, o elemento de vedação pode ser dividido por sua periferia, isto é, subdividido em setores, que podem ser executados separadamente entre si e equipados eletricamente condutores. Assim o desgaste do elemento de vedação é determinado e localizado mais detalhadamente, o que é vantajoso especialmente com grandes vedações. Mas o elemento de vedação pode também ser executado em várias camadas por sua largura, de modo que pode ser mensurado um decurso da tensão de contato sob uma vedação. A estrutura do elemento de vedação em várias camadas pode ser obtida pelo fato de que o elemento de vedação é produzido por meio de um processo de impressão 3D.[0020] The sealing element may have several electrically conductive segments. To this end, the sealing element can be divided by its periphery, that is, subdivided into sectors, which can be executed separately from each other and equipped with electrical conductors. This way the wear of the sealing element is determined and located in more detail, which is especially advantageous with large seals. But the sealing element can also be made in several layers across its width, so that a course of the contact stress under a seal can be measured. The multi-layer structure of the sealing element can be achieved by the fact that the sealing element is produced through a 3D printing process.

[0021] Algumas execuções da disposição de vedação serão mais detalhadamente explicadas a seguir com base nas figuras. Estas mostram, respectivamente esquematicamente: Fig. 1 uma disposição de vedação com um isolamento associado ao alojamento; Fig. 2 uma disposição de vedação com um invólucro isolando o elemento de vedação; Fig. 3 um elemento de vedação com talas de contato; Fig. 4 um elemento de vedação com cabos embutidos; Fig. 5 um elemento de vedação em múltiplas camadas, Fig. 6 uma disposição de vedação estática; Fig. 7 um elemento de vedação com setores eletricamente condutores.[0021] Some executions of the sealing arrangement will be explained in more detail below based on the figures. These respectively show schematically: Fig. 1 a sealing arrangement with an insulation associated with the housing; Fig. 2 a sealing arrangement with a housing insulating the sealing element; Fig. 3 a sealing element with contact lugs; Fig. 4 a sealing element with embedded cables; Fig. 5 a multi-layer sealing element, Fig. 6 a static sealing arrangement; Fig. 7 a sealing element with electrically conductive sectors.

[0022] As figuras mostram uma disposição de vedação 1 para a vedação de uma fenda entre um elemento de máquina 2 e um alojamento 3. Um elemento de vedação 4 disposto entre elemento de máquina 2 e alojamento 3 veda a fenda. O elemento de vedação 3 fica disposto em um espaço de montagem 7 disposto no alojamento 3. O espaço de montagem 7 é executado em forma de uma ranhura contínua.[0022] The figures show a sealing arrangement 1 for sealing a gap between a machine element 2 and a housing 3. A sealing element 4 arranged between the machine element 2 and housing 3 seals the gap. The sealing element 3 is arranged in a mounting space 7 arranged in the housing 3. The mounting space 7 is made in the form of a continuous groove.

[0023] Nas execuções precedentes, o elemento de máquina 2 é um elemento de máquina 2 móvel rotativamente e/ou translatoriamen- te, por exemplo um eixo.[0023] In the preceding embodiments, the machine element 2 is a rotatably and/or translatorily movable machine element 2, for example an axis.

[0024] O elemento de vedação 4 consiste em um plástico, aqui um material elastomérico, e é provido de partículas eletricamente condutoras. Como material para o elemento de vedação 4 são considerados materiais de vedação conhecidos para vedações 4. Para o emprego pode ser utilizada, por exemplo borracha natural, EPDM, borracha de flúor ou semelhante. As partículas eletricamente condutoras podem ser, por exemplo, partículas contendo ferro ou partículas de carbono.[0024] The sealing element 4 consists of a plastic, here an elastomeric material, and is provided with electrically conductive particles. Known sealing materials for seals 4 are considered as material for the sealing element 4. For example, natural rubber, EPDM, fluorine rubber or the like can be used. Electrically conductive particles can be, for example, iron-containing particles or carbon particles.

[0025] Uma unidade de avaliação aqui não representada detecta a resistência elétrica do elemento de vedação 4. Unidades de avaliação apropriadas são conhecidas do estado atual da técnica.[0025] An evaluation unit not represented here detects the electrical resistance of the sealing element 4. Suitable evaluation units are known from the current state of the art.

[0026] A figura 1 mostra uma disposição de vedação 1 com um primeiro elemento de vedação 4, que comprime um outro elemento de vedação 10 radialmente ao elemento de máquina 2. O elemento de vedação 3 é executado como anel em O. O outro elemento de vedação 10 é executado como guarnição. O outro elemento de vedação 10 consiste em PTFE. Pelo outro elemento de vedação 10 está o elemento de vedação 4 eletricamente isolado relativamente ao elemento de máquina 2. O elemento de vedação 4 está alojado em um espaço de montagem 7 do alojamento 3 em forma de ranhura. O espaço de montagem 7 é provido de um revestimento 8 de material polimérico, com o que resulta um isolamento 5 elétrico do elemento de vedação 4 relativamente ao alojamento 3.[0026] Figure 1 shows a sealing arrangement 1 with a first sealing element 4, which compresses another sealing element 10 radially to the machine element 2. The sealing element 3 is made as an O-ring. seal 10 is performed as a gasket. The other sealing element 10 consists of PTFE. By the other sealing element 10 is the sealing element 4 electrically isolated with respect to the machine element 2. The sealing element 4 is housed in a mounting space 7 of the slot-shaped housing 3. The mounting space 7 is provided with a coating 8 of polymeric material, resulting in electrical isolation 5 of the sealing element 4 from the housing 3.

[0027] A figura 2 mostra uma disposição de vedação conforme a figura 1, em que o isolamento 5 é formado por um invólucro 6 envolvendo o elemento de vedação 4. O invólucro 6 consiste em material de vedação eletricamente isolante.[0027] Figure 2 shows a sealing arrangement according to figure 1, in which the insulation 5 is formed by a casing 6 surrounding the sealing element 4. The casing 6 consists of electrically insulating sealing material.

[0028] A figura 3 mostra na vista do alto um elemento de vedação 4 em forma e um anel em O. Do elemento de vedação 4 são executados elementos de contato 11 em forma de talas de material eletricamente condutor, que se projetam radialmente para fora. As talas são executadas integrais e em uma só peça com o elemento de vedação 4.[0028] Figure 3 shows in top view a shaped sealing element 4 and an O-ring. From the sealing element 4, contact elements 11 are made in the form of splints made of electrically conductive material, which project radially outwards. . The splints are made integral and in one piece with sealing element 4.

[0029] A figura 4 mostra uma disposição de vedação 1 conforme figura 1, em que são previstos elementos de contato 11 em forma de condutos ou cabos elétricos, que se projetam para o interior do elemento de vedação 4. Pelos elementos de contato 11 resulta uma união condutora entre elemento de vedação 4 e unidade de avaliação 9. Nas disposições de vedação 1, que estão representadas nas outras figuras, a união de fato não está registrada, mas igualmente presente.[0029] Figure 4 shows a sealing arrangement 1 as shown in Figure 1, in which contact elements 11 are provided in the form of conduits or electrical cables, which project into the sealing element 4. Through the contact elements 11, it results a conductive union between sealing element 4 and evaluation unit 9. In the sealing arrangements 1, which are represented in the other figures, the de facto union is not registered, but equally present.

[0030] A figura 5 mostra uma disposição de vedação 1, em que o elemento de vedação 4 é executado em várias camadas. O elemento de vedação 4 apresenta segmentos 12 em forma de várias camadas executadas em forma anular, axialmente sobrepostas, que são isoladas entre si. Ademais, o isolamento 5 é de tal maneira executado que resulta um invólucro 6 envolvendo o elemento de vedação 4.[0030] Figure 5 shows a sealing arrangement 1, in which the sealing element 4 is made in several layers. The sealing element 4 has segments 12 in the form of several layers made in an annular shape, axially overlapping, which are isolated from each other. Furthermore, the insulation 5 is carried out in such a way that a casing 6 surrounding the sealing element 4 results.

[0031] As distintas camadas dos segmentos 12 podem ser produzidas por meio de um processo de impressão 3D.[0031] The distinct layers of segments 12 can be produced using a 3D printing process.

[0032] A figura 6 mostra uma vedação estática, em que um anel em O está disposto em um alojamento 3 e veda a fenda entre o alojamento e o elemento de máquina 2. O elemento de vedação 4 é provido de um isolamento 5 elétrico em forma de um invólucro 6, que isola eletricamente o elemento de vedação 4 com relação ao alojamento 3 e o elemento de máquina 2.[0032] Figure 6 shows a static seal, in which an O-ring is arranged in a housing 3 and seals the gap between the housing and the machine element 2. The sealing element 4 is provided with an electrical insulation 5 in form of a casing 6, which electrically isolates the sealing element 4 with respect to the housing 3 and the machine element 2.

[0033] A figura 7 mostra na vista do alto um elemento de vedação 4, que apresenta segmentos 12 em forma de setores com guarnição eletricamente condutora, que estão eletricamente isolados entre si.[0033] Figure 7 shows in top view a sealing element 4, which has segments 12 in the form of sectors with electrically conductive trim, which are electrically isolated from each other.

Claims

1. Sealing arrangement (1), characterized by the fact that it is configured to seal a gap between a machine element (2) and a housing (3) comprising at least one sealing element (4), the sealing element being seal (4) at least partially electrically conductive and an insulation (5) is provided, which electrically isolates the sealing element (4) from the machine element (2) and the housing (3), in which the sealing element (4 ) is made of electrically conductive elastomeric material, which also includes an evaluation unit configured to detect electrical resistance of the sealing element (4).

2. Sealing arrangement, according to claim 1, characterized by the fact that the sealing element (4) is provided with a casing (6) forming the insulation (5).

3. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized in that the housing (3) has a mounting space (7) for the sealing element (4), the mounting space (7) being provided with a coating (8) forming the insulation (5).

4. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized in that the sealing element (4) is made of electrically conductive plastic.

5. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that the material of the sealing element (4) is provided with electrically conductive particles.

6. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that the sealing element (4) is designed as an O-ring.

7. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized in that an evaluation unit is provided, which detects the electrical resistance of the sealing element (4).

8. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that the sealing element (4) abuts with pretension on the machine element (2) or on another sealing element (10), whereby the resistance of the sealing element (4) detected by the evaluation unit (9) changes depending on the prestress.

9. Sealing arrangement, according to any of the preceding claims, characterized by the fact that the electrical resistance of the sealing element (4), detected by the evaluation unit (9), changes depending on the fastening behavior.

10. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that the sealing element (4) is provided with electrically conductive contact elements (11).

11. Sealing arrangement according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that the sealing element (4) has several electrically conductive segments (12).